Mario Merola - ITER International Organization

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1 Il reattore a fusione sperimentale ITER Mario Merola - ITER International Organization Internal Components Division Head SITO WEB DI ITER: http :// Slide 1

2 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 2

3 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 3

4 La reazione di fusione La fusione alimenta il sole e le stelle Prometeo ruba il fuoco dall Olimpo Il Sole trae la propria energia dalla fusione dell idrogeno in elio: ogni secondo, sono consumate 600 milioni di tonnellate di idrogeno, equivalenti a cento volte la massa della più grande piramide d Egitto o, in un minuto, alla massa del Cervino. Il Sole trasforma idrogeno in elio da miliardi di anni e gli astrofisici assicurano che continuerà a farlo per qualche altro miliardo di anni prima di esaurire le riserve di idrogeno. Slide 4

5 La reazione di fusione T Fusion He + 20% di energia D n + 80% di energia La famosa equazione di Einstein: E = mc 2 Energia = massa x (velocitá della luce) 2 Perdita di massa = 4 milligrammi ogni grammo di combustibile 1 grammo di combustibile (D,T) ~ litri di petrolio Slide 5

6 La reazione di fusione In ogni metro cubo d acqua sono presenti circa 35 grammi di deuterio. Costo del deuterio ~3 Euro / grammo Il trizio, poiché radioattivo, è presente in natura solo in quantità in tracce e ha un tempo di dimezzamento di circa 12 anni. Tuttavia, esso può essere prodotto artificialmente dal litio, uno dei metalli leggeri presenti in abbondanti quantità nella crosta terrestre (2 grammi per tonnellata) o negli oceani (0,18 grammi per metro cubo). Costo del litio ~0.5 Euro / grammo Pertanto, i combustibili principali per la fusione sulla Terra sono praticamente inesauribili e immediatamente disponibili ovunque: nei mari, laghi, fiumi e (il litio) anche nelle rocce. Slide 6

7 La fusione nucleare è una opzione + = Energia La quantitá di litio in una batteria di un laptop ed il deuterio contenuto in metá vasca da bagno potrebbe fornire energia da fusione sufficiente per una persona per 30 anni. Slide 7

8 Sulla terra la fusione nucleare potrebbe fornire: Combustibile praticamente illimitato e disponibile in tutto il mondo Nessuna emissione di gas che produce effetto serra Sicurezza intrinseca - Il combustibile presente all interno del reattore è dell ordine di qualche grammo - La minima perturbazione del plasma, genera spontaneamente il suo spegnimento Nessuna scoria radioattiva a lunga vita - La reazione di fusione produce elio: un gas non radioattivo ed inerte - I materiali del reattori possono essere scelti a bassa attivazione Produzione di energia su larga scala Slide 8

9 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 9

10 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 10

11 La Storia dell ITER Geneva Superpower Summit on November 21,1985, Russian Premier Mikhail Gorbachev and the US-President Ronald Reagan Il reattore a fusione sperimentale ITER, Merola, 17th Maggio 2011 Slide 11

12 ITER Agreement 21 Novembre 2006 Firma del trattato ITER a Parigi (Elysée Palace ) Nasce l ITER Fusion Energy Organization Slide 12

13 ITER Una vera collaborazione internazionale I sette partners partecipanti alla costruzione di ITER rappresentano più della metá della popolazione mondiale Distribuzione dei costi EU 5/11, gli altri 6 Parties 1/11 Slide 13

14 Personale Professional staff Support staff Total Total Aprile 2011 Slide 14

15 Il futuro sito di ITER Edificio del Trizio Hall Tokamak Impianto criogenico Torri di raffreddamento Celle calde Alimentazione elettrica Uffici 18 edifici 180 ettari Parcheggio Slide 15

16 Dalla progettazione alla realtá Slide 16

17 Dicembre million m 3 di terra rilocati per il livellamento Edificio PF Coil Tokamak pit Edificio personale Slide 17

18 Modifiche delle vie d accesso completate TF Coil ~360 t 16 m Tall x 9 m Wide VV Sector ~400 t 12 m Tall x 9 m Wide Heavy Component on Road (TF Coils, VV Sectors, and PF1 Coil) PF1 Coil ~200 t 9.4 m Dia Slide 18

19 Il prima plasma nel novembre 2019 First Plasma ITER Construction TF Coils (EU) Case Winding Mockups Complete TF10 TF15 CS Coil Vacuum Vessel (EU) CS Final Design Approved CS3L CS3U CS Ready for Machine Assembly VV Fabrication Contract Award VV 05 VV09 VV07 Buildings & Site Construction Contract Award Tokamak Bldg 11 RFE Tokamak Assembly ITER Operations Start Machine Assembly Tokamak Basic Machine Assembly Start Install CS Start Cryostat Closure Ex Vessel Assembly In Vessel Assembly Assembly Phase 2 Assembly Phase 3 Pump Down & Integrated Commissioning Plasma Operations Slide 19

20 ITER I principali obiettivi programmatici: Dimostrare la fattibilitá tecnologica e scientifica della fusione nucleare per scopi pacifici Obiettivo principale: Q>10 I costi: Produrre energia da fusione 10 volte maggiore dell energia immessa input power 50 MW output power 500 MW ~12 miliardi per 10 anni di costruzione e ~5 miliardi per 20 anni di operazione ITER è uno dei più innovativi e complessi progetti scientifici al mondo oggi. Slide 20

21 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 21

22 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 22

23 La macchina ITER Central Solenoid Nb 3 Sn, 6 modules Cryostat 24 m high x 28 m dia. Toroidal Field Coil Nb 3 Sn, 18 Poloidal Field Coil Nb-Ti, 6 Major plasma radius 6.2 m Plasma Volume: 840 m 3 Plasma Current: 15 MA Typical Density: m -3 Typical Temperature: 20 kev Fusion Power: 500 MW Vacuum Vessel 9 sectors Blanket 440 modules Port Plug heating/current drive, test blankets limiters/rh diagnostics Torus Cryopumps, 8 Divertor 54 cassettes Machine mass: t (cryostat + VV + magnets) - shielding, divertor and manifolds: 7945 t port plugs - magnet systems: t; cryostat: 820 t Slide 23

24 Magneti 6 PF Coils (EU & RF) 18 TF Coils (EU & JP) 31 Feeders (CN) 9 coppie di Correction Coils (CN) CS Coils 6 (US) Slide 24

25 Massa TF Coil Massa di un magnete TF: ~360 t 16 m altezza x 9 m larghezza Boeing (Massa al decollo) ~377 t Slide 25

26 Vacuum Vessel, Ports and Cryostat Upper Ports (RF) Cryostat (IN) Vacuum Vessel (EU, KO) Lower and Equatorial Ports (KO) Slide 26

27 Massa VV & componenti interni : ~8000 t 19.4 m dia. esterno x 11.3 m altezza Massa torre Eiffel : ~7300 t 324 m altezza (Completata 1889) Slide 27

28 Vacuum Vessel - Prima barriera di sicurezza di ITER - Acciaio austenitico 316 L(N)-IG - 9 Settori assemblati in tripletti Slide 28

29 Componenti Interni Blanket Berillio Carbon fibre composite (CFC) e tungsteno Divertore Slide 29

30 Principali funzioni: Blanket System Rimuovere la maggior parte della potenza del plasma Contribuisce a schermare I magneti superconduttori Fornisce una superfice fisica per l accensione e lo spegnimento del plasma Slide 30

31 Modules 7-10 Modules 1-6 Modules Shield Block (semi-permanent) FW Panel ~ mm (separable) ~ mm Slide 31

32 Divertore Principali funzioni: Rimuovere parte della potenza del plasma Minimizza il livello di impurezze nel plasma Slide 32

33 Confronto Divertore Altre applicazioni ingengeristiche HIGH HEAT FLUX COMPONENTS FOSSILE FIRED BOILER WALL (ABB) FISSION REACTOR (PWR) CORE ITER DIVERTOR DESIGN 12/15 mm ID/OD HEAT FLUX - average MW/m maximum MW/m Max heat load MJ/m 2 Lifetime years Nr. of full load cycles Neutron damage dpa Materials Ferritic-Martens. steel Zircaloy ~ CuCrZr & CFC/W Coolant - pressure MPa - temperature C - velocity m/s - leak rate g/s Water-Steam <50 Water <50(SG) Water <10-7 Slide 33

34 Tungsten Componenti di qualifica prima della produzione di serie CFC 400 mm Slide 34

35 Remote Handling Systems Blanket RH System (JA) Transfer Cask Systems (EU+CN) Multi Purpose Deployer Hot Cell RH Equipment Cassette Toroidal Mover In-Vessel Viewing System Slide 35

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37 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 37

38 Suddivisione dei costi di costruzione C Contributions in Kind Major systems provided directly by Parties A Host Party Contribution - Buildings - Infrastructures B In Cash Direct Procurement Residue of systems, (piping, assembly and Hot Cell operations, CODAC ) jointly funded, purchased by ITER Organization Overall costs shared according to agreed evaluation of A+B+C Slide 38

39 ITER Organization ITER-org Owner Operator Supplier/ providers ITER ITER Procurement Procurement Arrangements Arrangements 10 ITER Safety and licensing, meeting with the regulator, May 29, 2006 ITER ITER-PTs QA working group, Cadarache, March 2006 In-kind In-kind procurements procurements via viadomestic Agencies ITER The way to fusion energy ITER Slide 39

40 Domestic Agencies Ciascun Party ha istituito una Domestic Agency, che gestisce il contributo in natura (in kind) dei componenti di ITER. Le Domestic Agencies hanno loro personale e finanziamenti. Collocano e gestiscono i contratti di fornitura per ITER. Slide 40

41 Integration between IO and DAs - Basic Roles and Responsibilities - ITER Organization Seven Members (Domestic Agencies, DA) Design Integration / QA / Safety / Licensing / Schedule Installation Testing + Commissioning Operation Procuring / Manufacturing Delivering Supporting installation Conformance Slide 41

42 Moscow Beijing Daejeon ITER Oak Ridge Ghandinagha r Barcelona Naka Slide 42

43 Procurement Arrangement da firmare entro il 2011 PA REFERENCE KIUA VALUE PA REFERENCE KIUA VALUE P6.JA.01 NB H&CD Power Supply for Heating Neutral Beam P2.IN.02 Cryolines Late Delivery P1A.IN.01 Cryostat P2.CN.01 AC/DC Converters P1.JA.01 In-Vessel 7 remote Handling Blanket P1.US.01 Diagnostics P2.CN.02 Reactive Power Compensation & Harmonic Filter P1.CN.01 Diagnostics P1.EU.01 Cryoplant Slide 43

44 Procurement Arrangement da firmare entro il 2011 PA REFERENCE KIUA VALUE PA REFERENCE KIUA VALUE PA REFERENCE KIUA VALUE P1.RF.01 Diagnostics P8C.US.01 SSEN Components P4A-B.US.01 Additional Central Solenoid conductor and materials (AMENDMENT) P1.KO.01 Diagnostics P1.JA.01 Diagnostics P3.EU.01 Ex-Vessel Remote Handling Transfer Cask System P1.IN.01 Diagnostics P1.EU.01 Diagnostics P2.EU.01 In-vessel remote Handling Divertor P5.EU.01 Water Detritiation Systems Tanks 5.3.P2.JA.01 HV Bushing for NBTF P1B.IN.01 Vacuum Vessel Pressure Suppression System 4.1.P1B.CN.01 Pulsed Power Electrical Network (PPEN) P3.RF EC Gyrotrons P1.US.02 Diagnostics 2 nd PA 5.5.P1.CN.02 Diagnostics 1 st Amendment 0 0 Slide 44

45 Procurement Arrangement da firmare entro il 2011 PA REFERENCE KIUA VALUE PA REFERENCE KIUA VALUE P1.KO.02 Diagnostics 1 st Amendment P4.IN.01 EC HV Power Supply P1.IN.02 Diagnostics 1 st Amendment P6.CN.01 Gas Injection System & GDC (Glow Discharge Cleaning System) P3.IN.01 EC RF Gyrotrons P4.EU.01 EC HV Power Supply P3.EU.01 EC RF Gyrotrons P4.EU.01 In-Vessel Remote Handling Viewing & Metrology System P8C.EU.01 SSEN Components P3.IN.01 Cryodistribution Components P1.RF.01 Port Plug Test Facility P1.EU.01 Cassette Body and Assembly Slide 45

46 Superconductive Coils (Nb 3 Sn and NbTi) Welded steel structures (TIG, NG-TIG, MIG, EB, Laser, ) High-Vacuum technologies High heat flux technologies Insulating coatings Key Technologies 1/2 Neutral Beam Power Supplies and High Voltage Components (of the order of 1 MV) High Power, High Frequency Transmission Lines and Sources (in the ranges 5-8 GHz and GHz) Electrical Power Supplies Slide 46

47 Key Technologies 2/2 Remote Handling Tools Vacuum Cryopumps Mechanical Pumps and Cooling Water Systems Tritium Handling and Atmosphere Detritiation Tritium Compatible Valves Materials for tritium breeding blankets including ceramic breeder and beryllium pebbles and permeation barriers Buildings and Infrastructure Slide 47

48 Engineering Support Services 1/2 Specialised engineering support including, but not limited to, the following disciplines: Mechanical, Electrical, Civil, Structural, Nuclear, Hydraulic, Optical, Instrumentation and Control, Microwave. Slide 48

49 Engineering Support Services 2/2 Development of component design, including the production of 2D drawings and 3D models. This activity requires the possibility to receive and deliver CAD files in of CATIA_V5/ENOVIA format. Good knowledge and understanding of the codes, standards, and design criteria used in ITER. The Work may require the presence of the Contractor s personnel at the working site of the ITER Organization, for extended periods of time, for the purpose of design review and data gathering. Slide 49

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51 Sommario La Fusione Nucleare Il progetto ITER Componenti del Tokamak Fornitura dei Componenti Uno sguardo dopo ITER Slide 51

52 Sulla strada verso la fusione ITER non è il fine ultimo: è il ponte verso il primo impianto che dovrá dimostrare la produzione su larga scala di energia elettrica: il reattore DEMO. DEMO dovrebbe diventare operativo entro anni. Traghetterá la fusione in una nuova era di sviluppo industriale ed aprirá la strada al primo prototipo di reattore commerciale. Tale prototipo di una centrale elettrica a fusione nucleare dimostrerá la sicurezza, l economicitá ed il rispetto per l ambiente di questa forma di energia (entro la metá di questo secolo). Slide 52

53 Conclusioni Tutte le risorse energetiche disponibili saranno necessariee l energianuclearedeveessereparte di questomix. ITER è unaformidabilesfidatecnica, managerialee scientifica che esplora e spinge in avanti le frontiere della nostra conoscenza. La fusione nucleare rappresenta una possibile opzione energeticaper ilfuturo. ITER è il cammino verso questa nuova fonte di energia. Slide 53

54 GRAZIE PER L ATTENZIONE! Slide 54