Rapporto sulla messa a punto del sistema di purificazione associato all impianto Lifus 3 e sugli esiti delle prove funzionali in diverse condizioni

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1 Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ICECA DI SISTEMA ELETTICO apporto sulla messa a punto del sistema purificazione associato all impianto Lifus 3 e sugli esiti delle prove funzionali in verse conzioni A. Gessi, P. Favuzza eport ds/211/383

2 APPOTO SULLA MESSA A PUNTO DEL SISTEMA DI PUIFICAZIONE ASSOCIATO ALL IMPIANTO LIFUS 3 E SUGLI ESITI DELLE POVE FUNZIONALI IN DIVESE CONDIZIONI A. Gessi, P. Favuzza (ENEA) Novembre 211 eport icerca Sistema Elettrico Accordo Programma Ministero dello Sviluppo Economico ENEA Area: Governo, gestione e sviluppo del sistema elettrico nazionale Progetto: Fusione nucleare: Attività fisica e tecnologia della fusione complementari ad ITE, denominate Broader Approach esponsabile Progetto: Aldo Pizzuto, ENEA

3 Sigla identificazione icerca Sistema Elettrico 1 11 Titolo apporto sulla messa a punto del sistema purificazione associato all impianto Lifus 3 e sugli esiti delle prove funzionali in verse conzioni Descrittori Tipologia del documento: Deliverable Collocazione contrattuale: Accordo programma ENEA-MSE: tema ricerca IFMIF Argomenti trattati: Purificazione del Litio dalle impurezze non metalliche Sommario Il presente lavoro riassume le attività ricerca e per lo sviluppo del sistema trappole per le impurezze non metalliche in Li nell impianto Lifus6 presso ENEA Brasimone. Note: Copia n. In carico a: 2 1 NOME A.Gessi G. Miccichè P. Agostini FIMA NOME FIMA P.Favuzza EMISSIONE 24/11/11 NOME FIMA EV. DESCIZIONE DATA EDAZIONE CONVALIDA APPOVAZIONE

4 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 2 11 Sommario L impianto Lifus6, successore Lifus3 (LIthium Fusion), è una facility decata a tests con Litio liquido fluente, nell ambito delle attività Broader Approach, legate allo sviluppo e stuo della macchina IFMIF. Il loop è essenzialmente sudviso in due parti fondamentali: il circuito principale, decato a test corrosione e compatibilità tra acciai AFM e Litio fluente ad elevate temperature; il circuito ausiliario, o purificazione, decato a prove filtrazione, monitoraggio e purificazione del metallo liquido da impurezze non metalliche. Vi è una stretta connessione tra le due fferenti attività sperimentali: la presenza N, C, O, H, sciolti in Li sotto forma ionica, aumenta e promuove i meccanismi corrosione chimica degli acciai. Per questo i requirements IFMIF impongono che ciascuna delle specie sopra incate non superi la concentrazione 1 wppm. Sviluppare, testare e validare sistemi che permettano il raggiungimento questi obiettivi ed il loro monitoraggio rappresentano lo scopo questo lavoro. Questo documento sintetizza il lavoro stuo e progettazione del sistema purificazione nel suo complesso.

5 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 3 11 Ince 1. Background Dati termonamici ed osservazioni sperimentali ll circuito trappole Conclusioni Bibliografia... 11

6 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico Background Lo stuo e la caratterizzazione scientifica base un opportuno sistema filtrazione per impurezze non metalliche è stato condotto in collaborazione con la School of Chemistry della Università Nottingham, in particolare con il Prof. Peter Hubberstey. Per limitare le concentrazioni impurezze in litio Liquido fluente in un loop, una serie meto controllo sono stati inviduati nell ambito della suddetta collaborazione. Le impurezze Ossigeno e Carbonio possono essere mantenute a livelli accettabili, e quelle Azoto e isotopi Idrogeno ridotte, tramite l impiego una trappola fredda in acciaio inossidabile, che sfrutta il basso valore solubilità tali elementi alla temperatura proposta (473 K). Per ridurre ulteriormente la concentrazione Azoto è inoltre necessario utilizzare un sistema trappola calda in Titanio, operante a 873 K, mentre, per garantire accettabili le concentrazioni degli isotopi Idrogeno, è stata testata e validata una ulteriore trappola in Ittrio operante a 523K. Questo sistema a 3 trappole verrà quin implementato nel circuito ausiliario dell impianto Lifus6. Il sistema sarà inoltre accoppiato con un misuratore in linea della resistività elettrica del Litio, in grado segnalare in tempo reale la variazione della concentrazione delle specie ioniche non metalliche, garantendo un feedback sul funzionamento del sistema.

7 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico Dati termonamici ed osservazioni sperimentali Alcuni esperimenti preliminari sull efficienza del sistema trappole sono stati effettuati, sia su scala laboratorio, sia sul vecchio impianto Lifus3. Essi sono riassunti nella tabella 1. Questi risultati sono coerenti con i dati termonamici che si evincono dai dati letteratura, sintetizzati rispettivamente in figura 1, per quanto attiene alla solubilità in Litio C,O,H e N in funzione della temperatura (quin al meccanismo funzionamento della trappola fredda), in figura 2, per quanto riguarda la stabilità dei vari nitruri metallici (quin in merito al funzionameno della trappola Titanio) ed in figura 3, per quanto concerne la stabilità dei vari idruri metallici (quin in relazione al funzionamento della trappola Ittrio). Impurezza Solo TF (473K) Solo TH (873 K) Solo TY (523 K) Valori finali misurati H 63 _ C N _ 2. O Tabella 1: dati sperimentali preliminari sul sistema trappole, in wppm; TF: trapppola fredda; TH: trappola calda per Azoto (getter Ti); TY: trappola per Idrogeno (getter Y)

8 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 6 11 Figura 1: solubilità elementi non metallici in Litio in funzione T È importante sottolineare la stretta connessione tra la necessità purificare il Litio e il rateo corrosione degli acciai. La presenza Azoto, ad esempio, promuove la formazione Nitruri misti Azoto e Cromo, Ferro, Nichel, che, raggiunta una adeguata concentrazione, precipitano come soli (Li 3 FeN 2 e similari) Il Litio, metallo liquido in sè poco corrosivo e pessimo solvente degli elementi lega degli acciai, venta quin promotore corrosione chimica, nonchè slags soli attivati. Il meccanismo corrosione venta più pericoloso se accoppiato con quello erosione: nel loop principale infatti, il Li ha una velocità 16 m/s.

9 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 7 11 Fig. 2: Diagramma Ellingham per i Nitruri, in funzione T Figura 3: Diagramma Ellingham per gli Idruri, in funzione T

10 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 8 11 Un esempio corrosione per formazione nitruro misto è illustrato nella figura 4: si tratta una micrografia su un campione acciao ferritico, in cui è evidente il meccanismo corrosione intergranulare promosso dall Azoto in soluzione. Figura 4: corrosione per formazione Li 3 FeN 2 3. ll circuito trappole Il circuito trappole dell impianto Lifus6, rappresentato schematicamente in figura 5, consisterà quin in un sistema tre trappole, in acciaio AISI 316L, riscaldato elettricamente alla temperatura esercizio e collegato in parallelo all impianto principale tramite due valvole stacco (sezionamento). La prima trappola fredda (TF 473K) verrà riempita con una rete acciaio a maglia larga, avente una densità apparente circa 25-3 Kg/m 3, che agirà come supporto atto a favorire la nucleazione ed il successivo accrescimento dei grani precipitato delle varie impurezze da rimuovere. Dopo questo primo stao purificazione, il Litio liquido transiterà attraverso la trappola calda (TH 873K), contenente invece un getter Titanio sotto forma spugna (densità apparente

11 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico Kg/m 3 ), in grado assorbire Azoto dal Litio formando uno strato nitruro Titanio sulla sua superficie (fino ad una profontà 3 micron). Infine il Litio transiterà attraverso la trappola Ittrio (TY 553K), contenente appunto dei piccoli estrusi Ittrio (densità apparente 54 Kg/m 3 ) in grado assorbire Idrogeno per formazione uno strato superficiale idruro Ittrio. Figura 5: schema del sistema trappole. TF: trappola fredda; TY: trappola Ittrio, TH: trappola calda (Titanio) Per quanto concerne il mensionamento delle trappole, due sono gli aspetti da considerare. Da una parte, le quantità dei getter da impiegare nelle trappole devono essere commisurate alle quantità impurezze ipotizzate nel Litio, a loro volta pendenti sia dalla quantità totale Litio circolante nel circuito, sia dal tempo prova, tipicamente compreso tra 1 e 8 ore. Ovviamente, una maggiore massa getter richiederà un maggior volume della trappola che lo accoglie.

12 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico 1 11 L altro, e forse più sensibile, aspetto da considerare nel mensionamento delle trappole è invece la portata del Litio liquido attraverso esse. I processi che vi avvengono, legati a meccanismi precipitazione, assorbimento liquido-solido e reazione chimica superficiale, si svolgono secondo cinetiche che richiedono un tempo residenza minimo per garantire la piena efficienza della trappola stessa. Tipicamente si considera, mutuando il dato dalle esperienze condotte nel caso delle trappole per il soo, che 5 minuti sia un tempo adeguato per garantire l efficienza funzionamente ciascuna delle tre trappole. Fissato dunque un tempo residenza pari ad almeno 5 minuti, la portata volumetrica del litio in ciascuna trappola determina conseguenza il suo volume minimo. Per contenere il volume delle tre trappole, e dunque tutto il circuito ausiliario purificazione, entro valori ragionevoli, sarà pertanto opportuno impostare il valore della portata su un valore relativamente basso, riducendolo rispetto a quello del loop principale, che richiede invece, secondo le specifiche IFMIF, elevati velocità lineari flusso del Litio. 4. Conclusioni Il sistema purificazione del Litio liquido del nuovo impianto Lifus6 sarà costituito da un sistema tre trappole in serie l una con l altra, posto in parallelo rispetto al circuito principale. Ogni trappola avrà una sua ben definita temperatura esercizio, ottimizzata per lo specifico processo da instaurare, e fferente peraltro da quella della restante linea del circuito. La portata volumetrica del metallo liquido attraverso il circuito secondario purificazione dovrà essere inolte ridotta rispetto a quella del primario, per consentire tempi residenza attraverso le trappole adeguatamente lunghi (almeno 5 minuti) e permettere conseguenza la piena funzionalità ciascuna esse. Dati termonamici e preliminari osservazioni sperimentali hanno confermato che i processi precipitazione e interazione chimica con i getter delle trappole sono in grado ridurre il contenuto relativo delle impurezze non metalliche al sotto dei requisiti fissati dalle specifiche IFMIF. Sistemi monitoraggio online del contenuto impurezze nel Litio (quali ad esempio il misuratore resistività, oggetto un altro specifico rapporto), insieme a misure off-line del contenuto dei non metalli sequestrati dalle tre trappole, forniranno il feedback necessario sull efficienza del sistema.

13 Sigla identificazione ev. icerca Sistema Elettrico Bibliografia 1.B. Hinze, Chemical Engineering Progress Symposium Series: Nuclear Engineering Part XXI No 14, Vol. 66 p J.W. Mausteller, F. Tepper and S.J. odgers, Alkali metal handling and systems operating techniques, ANS, Gordon & Breach, 1967, pp K.. Kim, J.Y. Jeong, K. C. Jeong, S. W. Kwon and S.T. Hwang, J. Industrial and Engineering Chemistry (Seoul), 1998, 4, M.G. Down, Proc. 2 nd. Int. Conf. Liquid Metals Technology and Energy Production, ichland, Wash., 198, Vol. 2, J.. Weston, F.W. Calaway,.M. Yonco, and V. A. Maroni, Proc. 2 nd. Int. Conf. Liquid Metals Technology and Energy Production, ichland, Wash., 198, Vol. 2, M. G. Barker, P. Hubberstey, A. T. Dadd and S. A. Frankham, J. Nucl Mater 1983, P Hubberstey and P. G. oberts J. Nucl Mater 1988, T.Sakurai, T. Yoneoka, S. Tanaka, A. Suzuki and T. Muroga, J. Nucl. Mater. 22, , H. Nakamura et al., Present Status of the Liquid Lithium Target Facility in the International Fusion Materials Irraation Facility (IFMIF), paper ID O-463, presented at ICFM C.C. Adson, The Chemistry of the Liquid Alkali Metals, John Wiley & Sons, London, K. Noda, M. Sugimoto, Y. Kato, H. Matsuo, K. Watanabe, T. Kikuchi, H. Usui, Y. Oyama, H. Ohno and T. Kondo, J. Nucl. Mater (1992) 1367