ITER: le sfide tecnologiche - bologna.enea.it · di plasma di interesse reattoristico, ma ... Con la Bobina ‘TF Model Coil’ : Fattibilità bobine in Nb3Sn molto grandi: H=13m

Associazione EURATOM ENEA sulla FusioneUTS-FUSIONE

ITER: le sfide tecnologiche

Presentatoda

A Pizzuto

Associazione ENEA-Euratom sulla FusioneUTS-Fusione

A. Pizzuto : I Giovedì della Cultura Scientifica – UTS Fusione Casaccia 18 settembre 2003


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



La Macchina ITER: obiettiviScopo:

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-lungodiventare una fonte di energia sostenibile nel periodo medio-lungo


La Macchina ITER: descrizione

ITER

Cooling Pipes

Cryostat

Blanket

Poloildal Coils

Toroidal Coils

Central Solenoid

ICRF Antenna

Vacuum Vessel

Cryopump

Divertor



Associazione EURATOM ENEA sulla FusioneAssociazione EURATOM ENEA sulla FusioneUTS-FUSIONE

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 socio-economico, ha richiesto delle estrapolazioni notevoli per adeguare le tecnologie disponibili.



I problemi (2)

Le caratteristiche salienti sono:

Dimensioni senza precedenti per magneti e strutture; Alto flusso neutronico sulla pareteAltissimo flusso termico sul “divertore”Necessità di remote handlingApparati specifici per il reattore a fusione quali sistemi di “fuelling”, pompaggio, riscaldamento e “current Drive” e diagnostiche



Le Tecnologie più impegnativeSuperconduttivitàComponenti ad alto flusso termicoManutenzione RemotaMaterialiMisure e Data Base NucleariCiclo del combustibileRealizzazione di componenti di grosse dimensioni

e inoltre

ProgettazioneSicurezza ed impatto ambientale



Magneti Superconduttori: Cavo

43 m

m

Dimostrata la scalabilitàalle dimensioni di ITER senza degrado delle prestazioni

Cavo Nb3Sn sviluppato per ITER



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



Magneti Superconduttori: CS



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)



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/m2 in stazionario)

In fasi transitorie carichi di 60-100 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)




Flusso critico necesario (35÷40MW/m2): ⇒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).




CFC

W

‘Vertical Target’ scala 1:1

Tecnologie di giunzione:Brasature non idonee Scelta:HotIsostaticPressingHotRadialPressing (ENEA)




Le attività di R&D hanno coinvolto intensamente tutti i partner dal 1995 al 2001.

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



MaterialiMateriali strutturali per ITER scelti tra quelli già sviluppati: Acciai Austenitici

Lanciato programma focalizzato sullo sviluppo e caratterizzazione di materiali a bassa attivazioneper il reattore

Due le scelte in europa:Acciai ferritici/martensitici per la prima generazione

Materiali ceramici (SiCf/SiC) compositi per gli impianti ad alta efficienza >50%



Materiali: acciai



Materiali: SiCf/SiC

1: 500C, HFIR2: 400C, HFIR 3: 200-500C, HFIR4: 300-500C, JMTR5: 430-500C, EBR-II

ÙoHi-Nicalon Type-S/PyC/FCVI-SiCÙqHi-Nicalon/PyC/FCVI-SiCÙsNicalon/PyC/FCVI-SiCÙnTyranno-SA/PyC/FCVI-SiCÙkMonolithic CVD-SiC

6: 300C, HFIR7: 800C, HFIR8: 800C, JMTR9: 740C, HFIR10: 630, 1020C, ETR

0

1

0.1 1 10 100Neutron Dose [dpa-SiC]

S uIr

rad. /S

uUni

rrad

.

3

2

2

7

6

6

7

7

7

4

5

5

5

5

2

2

3

1

1

1

888

82

2

67

710 9

0

1

0.1 1 10 100Neutron Dose [dpa-SiC]

S uIr

rad. /S

uUni

rrad

.

3

2

2

7

6

6

7

7

7

4

5

5

5

5

2

2

3

1

1

1

888

82

2

67

710 9



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)



Manutenzione remota (1)







Sistema RH BlanketJAERI



Validazione datiEFF/EAF data per W(ENEA,TUD,FZK,JSI)

(materiale per divertore armour)

DENSIMET 176 / 180 (> 92% W, Fe, Ni)peso 1.8 ton

Misure e data base nucleari

FNG Lab


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)


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)



Ciclo del combustibileENEA impegnata nelle due filiere:

Metallo liquido:caratterizzazione coating protettivi, sperimentazione incidenti acqua/Pb-17Li

Ceramico: processi fabbricativi (sol-gel) e recycling Li



Componenti di grosse dimensioni

Settore di Camera da Vuoto – JAERITolleranza 5mm/18m



Componenti di grosse dimensioniCasing TF

Forgiato AusteniticoSaldature spesse 240 mm (Belleli) con tecniche GTAW

e SAW+ E.B.



ProgettazioneNecessarie tecniche di progettazione molto avanzate cherichiedono competenze multidisciplinari:Calcoli neutronici, Elettromagnetici, Termomeccaniciecapacità di integrazione

Progettazione divertore ITER(ENEA)

MCNP model Nuclear heatingA. Pizzuto : I Giovedì della Cultura Scientifica – UTS Fusione Casaccia 18 settembre 2003


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




1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Time (s)

Dec

ay H

eat P

ower

Den

sity

(kW

/kg)

PM1MINERVA-WMINERVA-HPM4PM5PM6

1 m

in

1 ho

ur

1 da

y

1 w

eek

1.00E-07

1.00E-06

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00

Time after final shutdown (years)

Rad

ioto

xici

ty in

dex

(Inha

latio

n)

CoalCoal x 10PWREFR AEFR BModel 1MINERVA-WMINERVA-HModel 4Model 5Model 6

EFR-A

EFR-B

PWR

Coal

Radiotossicità Reattori Nucleari

Decay Heat Reattore a Fusione




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)



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 tecnologierealizzative.

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 potenzialitàper diventare una fonte di energia sostenibile nel

periodo medio-lungo



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.



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.


Documents

ITER: le sfide tecnologiche - bologna.enea.it · di plasma di interesse reattoristico, ma ... Con la Bobina ‘TF Model Coil’ : Fattibilità bobine in Nb3Sn molto grandi: H=13m