Componenti affacciati al plasmaIl divertore, il componente affacciato al plasma in cui viene convogliato e smaltito il calore emesso dal plasma sotto forma di particelle energetiche, deve smaltire un elevato flusso di calore ed essere ricoperto di materiali compatibili col plasma. Il calore depositato è dell’ordine di 10 MW/m2 in regime stazionario e raggiunge valori fino a 20 MW/m2 in fasi transienti. La realizzazione di un componente, rivestito di materiale compatibile col plasma, capace di resistere ai carichi termici suddetti ha richiesto un complesso sviluppo tecnologico durato molti anni. Per qualificare le tecnologie sviluppate sono stati realizzati prototipi in scala reale, basati sull’impiego di tubi in lega di rame (scambiatori di calore) protetti da piastre di tungsteno e CFC (materiali sacrificali resistente alle alte temperature). Per garantire un buon contatto termico tra i materiali di protezione e il tubo stesso sono state sviluppate le tecnologie per il trattamento superficiale deltungsteno e della CFC e i processi di giunzione per diffusione. Parti delle piastre sono state provate per migliaia di cicli ai valori di carico termico massimo che si verificano in ITER. La tecnologia sviluppata è tra le migliori al mondo. Un mock up di divertore realizzato in ENEA ha superato brillantemente i test di fatica termica, fino a 25 MW/m2, e ha permesso per la prima volta in assoluto di fare test di crisi termica in un componente ricoperto con materiale di rivestimento (fino a 35 MW/m2).Manutenzione remotaCon le piattaforme sperimentali DTP (Divertor Test Platform) e DRP (Divertor Refurbishment Platform) del Centro ENEA del Brasimone sono state sviluppate e provate, rispettivamente, le procedure di montaggio e smontaggio del divertore e la sostituzione dei componenti ad alto flusso termico di ITER. Nel Centro di Frascati, oltre a contribuire alla attività del Brasimone con la realizzazione del sistema di controllo, è stato sviluppato un sistema innovativo di visione e metrologia laser ad alta definizione che è diventato il sistema di riferimento per ITER.Moduli di mantello fertile (Breeder Blanket)Altro componente molto importante, il primo di tipo nucleare sviluppato per la fusione, è il modulo del mantello fertile da testare in ITER. La funzione del mantello fertile è triplice:assorbire l’energia dei neutroni; produrre il trizio sfruttando la reazione 6Li(n,Tα);schermare le strutture esterne. L’ENEA è fortemente impegnato in questo campo grazie al know how acquisito sia nella tecnologia dei metalli liquidi che in quella dei sistemi raffreddati ad elio. I due concetti di riferimento Europei sono basati uno sul ‘breeder’ solido (composti ceramici di litio, Li2SiO4) e uno a breeder liquido (leghe eutettiche di litio e piombo, allo stato liquido).I moduli sono ambedue raffreddati con elio gassoso ad alta temperatura e pressione. Queste tecnologie hanno una forte analogia con quelle relative al programma Generation IV della fissione; si potrebbero, pertanto, attivare sinergie tra i due programmi.I materialiLa fattibilità della fusione in termini economici e sociali dipende dalla disponibilità di materiali idonei con i quali realizzare i componenti chiave del reattore. Da un lato, i materiali utilizzati devono presentare caratteristiche di bassa attivazione indotta da neutroni e devono presentare caratteristiche di resistenza per tempi sufficientemente lunghi (almeno circa 5 anni) sotto flussi neutronici tipici del reattore. I neutroni prodotti nelle reazioni D-T interagendo con i materiali provocano dislocazioni dei nuclei dai siti reticolari e trasmutazioni che modificano la struttura microscopica dei materiali stessi. Tali modifiche originano una degradazione delle proprietà fisiche e meccaniche, quali conducibilità termica ed elettrica, indurimento, riduzione della duttilità, degradazione della resistenza alla frattura ecc..I livelli di flusso neutronico in DEMO, e più a lunga scadenza nel reattore, richiedono che i materiali impiegati mantengano buone caratteristiche fino a 80 dpa (150 dpa nel reattore) (1 dpa = 1 displacement per atom, equivale a circa 1025 n (14 MeV)/m2 in Fe). Inoltre, debbono poter essere impiegati ad alte temperature di lavoro in modo da raggiungere buoni valori dell’efficienza complessiva dell’impianto. L’ENEA sta contribuendo a sviluppare tecnologie per i processi fabbricativi di materiali ceramici compositi come il SiCf/SiC. Neutronica e dati nucleariI neutroni prodotti dalla fissione hanno una energia di molto superiore a quelli prodotti dalla fissione. Si è posto quindi il problema della caratterizzazione dei materiali sotto l’effetto di neutroni così energetici.Per ovviare, almeno in parte, alla mancanza di sorgenti intense di neutroni per l’irraggiamento di materiali e componenti, l’ENEA si è dotato fin dall’inizio degli anni ’90 di una sorgente di neutroni da 14 MeV, il Frascati Neutron Generator (FNG, intensità 1011 n/s). FNG ha permesso di effettuare la caratterizzare nucleare (sezioni d’urto, attivazione, calore di decadimento) di materiali e componenti.I numerosi esperimenti condotti con FNG hanno permesso di validare gli aspetti nucleari del progetto di ITER, e le librerie europee e internazionali di dati nucleari per la fusione.Ciclo del combustibileI processi di trattamento dei gas esausti è una delle peculiarità degli impianti a fusione. Il trizio deve essere separato dagli altri gas sia per problemi di economicità sia per problemi si sicurezza. L’ENEA ha sviluppato reattori catalitici a membrana capaci di separare l‘idrogeno con efficienze prossime al 100%. Durante questi sviluppi si sono brevettati sia i processi fabbricativi dei reattori sia le membrane di PdAg che ne costituiscono l’elemento più importante. Le tecnologie sviluppate in ENEA sono utilizzate nei sistemi progettati per ITER. Queste tecnologie hanno una importante sinergia con quelli per la produzione di idrogeno e per l’alimentazione delle celle a combustibile.Sicurezza e Impatto AmbientaleAnche dal punto di vista delle analisi di sicurezza i reattori a fusione presentano delle sostanziali differenze rispetto a quelli a fissione. È stato quindi necessario dotarsi di procedure e criteri di valutazione originali per analizzare gli impianti a fusione dal punto di vista della safety e quindi del licencing. Un grosso contributo è stato dato dall‘ENEA alla definizione dei requisiti in termini si sicurezza di ITER e alla preparazione della documentazione di licensing di Cadarache. Questa attività è stata possibile grazie alla capacità sistemica che un così ampio spettro di attività ha consentito di acquisire.
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Componenti affacciati al plasmaIl divertore, il componente affacciato al plasma in cui viene convogliato e smaltito il calore emesso dal plasma sotto forma di particelle energetiche, deve smaltire un elevato flusso di calore ed essere ricoperto di materiali compatibili col plasma. Il calore depositato è dell’ordine di 10 MW/m2 in regime stazionario e raggiunge valori fino a 20 MW/m2 in fasi transienti. La realizzazione di un componente, rivestito di materiale compatibile col plasma, capace di resistere ai carichi termici suddetti ha richiesto un complesso sviluppo tecnologico durato molti anni. Per qualificare le tecnologie sviluppate sono stati realizzati prototipi in scala reale, basati sull’impiego di tubi in lega di rame (scambiatori di calore) protetti da piastre di tungsteno e CFC (materiali sacrificali resistente alle alte temperature). Per garantire un buon contatto termico tra i materiali di protezione e il tubo stesso sono state sviluppate le tecnologie per il trattamento superficiale deltungsteno e della CFC e i processi di giunzione per diffusione. Parti delle piastre sono state provate per migliaia di cicli ai valori di carico termico massimo che si verificano in ITER. La tecnologia sviluppata è tra le migliori al mondo. Un mock up di divertore realizzato in ENEA ha superato brillantemente i test di fatica termica, fino a 25 MW/m2, e ha permesso per la prima volta in assoluto di fare test di crisi termica in un componente ricoperto con materiale di rivestimento (fino a 35 MW/m2).Manutenzione remotaCon le piattaforme sperimentali DTP (Divertor Test Platform) e DRP (Divertor Refurbishment Platform) del Centro ENEA del Brasimone sono state sviluppate e provate, rispettivamente, le procedure di montaggio e smontaggio del divertore e la sostituzione dei componenti ad alto flusso termico di ITER. Nel Centro di Frascati, oltre a contribuire alla attività del Brasimone con la realizzazione del sistema di controllo, è stato sviluppato un sistema innovativo di visione e metrologia laser ad alta definizione che è diventato il sistema di riferimento per ITER.Moduli di mantello fertile (Breeder Blanket)Altro componente molto importante, il primo di tipo nucleare sviluppato per la fusione, è il modulo del mantello fertile da testare in ITER. La funzione del mantello fertile è triplice:assorbire l’energia dei neutroni; produrre il trizio sfruttando la reazione 6Li(n,Tα);schermare le strutture esterne. L’ENEA è fortemente impegnato in questo campo grazie al know how acquisito sia nella tecnologia dei metalli liquidi che in quella dei sistemi raffreddati ad elio. I due concetti di riferimento Europei sono basati uno sul ‘breeder’ solido (composti ceramici di litio, Li2SiO4) e uno a breeder liquido (leghe eutettiche di litio e piombo, allo stato liquido).I moduli sono ambedue raffreddati con elio gassoso ad alta temperatura e pressione. Queste tecnologie hanno una forte analogia con quelle relative al programma Generation IV della fissione; si potrebbero, pertanto, attivare sinergie tra i due programmi.I materialiLa fattibilità della fusione in termini economici e sociali dipende dalla disponibilità di materiali idonei con i quali realizzare i componenti chiave del reattore. Da un lato, i materiali utilizzati devono presentare caratteristiche di bassa attivazione indotta da neutroni e devono presentare caratteristiche di resistenza per tempi sufficientemente lunghi (almeno circa 5 anni) sotto flussi neutronici tipici del reattore. I neutroni prodotti nelle reazioni D-T interagendo con i materiali provocano dislocazioni dei nuclei dai siti reticolari e trasmutazioni che modificano la struttura microscopica dei materiali stessi. Tali modifiche originano una degradazione delle proprietà fisiche e meccaniche, quali conducibilità termica ed elettrica, indurimento, riduzione della duttilità, degradazione della resistenza alla frattura ecc..I livelli di flusso neutronico in DEMO, e più a lunga scadenza nel reattore, richiedono che i materiali impiegati mantengano buone caratteristiche fino a 80 dpa (150 dpa nel reattore) (1 dpa = 1 displacement per atom, equivale a circa 1025 n (14 MeV)/m2 in Fe). Inoltre, debbono poter essere impiegati ad alte temperature di lavoro in modo da raggiungere buoni valori dell’efficienza complessiva dell’impianto. L’ENEA sta contribuendo a sviluppare tecnologie per i processi fabbricativi di materiali ceramici compositi come il SiCf/SiC. Neutronica e dati nucleariI neutroni prodotti dalla fissione hanno una energia di molto superiore a quelli prodotti dalla fissione. Si è posto quindi il problema della caratterizzazione dei materiali sotto l’effetto di neutroni così energetici.Per ovviare, almeno in parte, alla mancanza di sorgenti intense di neutroni per l’irraggiamento di materiali e componenti, l’ENEA si è dotato fin dall’inizio degli anni ’90 di una sorgente di neutroni da 14 MeV, il Frascati Neutron Generator (FNG, intensità 1011 n/s). FNG ha permesso di effettuare la caratterizzare nucleare (sezioni d’urto, attivazione, calore di decadimento) di materiali e componenti.I numerosi esperimenti condotti con FNG hanno permesso di validare gli aspetti nucleari del progetto di ITER, e le librerie europee e internazionali di dati nucleari per la fusione.Ciclo del combustibileI processi di trattamento dei gas esausti è una delle peculiarità degli impianti a fusione. Il trizio deve essere separato dagli altri gas sia per problemi di economicità sia per problemi si sicurezza. L’ENEA ha sviluppato reattori catalitici a membrana capaci di separare l‘idrogeno con efficienze prossime al 100%. Durante questi sviluppi si sono brevettati sia i processi fabbricativi dei reattori sia le membrane di PdAg che ne costituiscono l’elemento più importante. Le tecnologie sviluppate in ENEA sono utilizzate nei sistemi progettati per ITER. Queste tecnologie hanno una importante sinergia con quelli per la produzione di idrogeno e per l’alimentazione delle celle a combustibile.Sicurezza e Impatto AmbientaleAnche dal punto di vista delle analisi di sicurezza i reattori a fusione presentano delle sostanziali differenze rispetto a quelli a fissione. È stato quindi necessario dotarsi di procedure e criteri di valutazione originali per analizzare gli impianti a fusione dal punto di vista della safety e quindi del licencing. Un grosso contributo è stato dato dall‘ENEA alla definizione dei requisiti in termini si sicurezza di ITER e alla preparazione della documentazione di licensing di Cadarache. Questa attività è stata possibile grazie alla capacità sistemica che un così ampio spettro di attività ha consentito di acquisire.