Iter

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Iter (fig. 4), dal latino «la via», è una macchina di tipo tokamak che costituisce, nell’ambito della strategia perseguita dalla comunità internazionale sull’energia da fusione, l’unico esperimento intermedio prima della costruzione del reattore dimostrativo Demo.
Il progetto di Iter, a cui l’Italia ha dato un contributo fondamentale, è stato sviluppato sulla base di un’intensa attività di Ricerca e Sviluppo che ha permesso di riempire in dieci anni il grande gap tecnologico esistente all’inizio della progettazione. Questa attività è stata condotta in stretto coordinamento da numerosi centri di ricerca, università e industrie di tutto il mondo con il coinvolgimento di migliaia tra ricercatori e tecnici.
Unione europea, Giappone, Federazione Russa, Stati uniti d’America, Cina e Corea del Sud e India hanno raggiunto l’accordo per l’attuazione del progetto. Il 24 Maggio 2006 è stato siglato ufficialmente. L’accordo tecnico tra i sei partner è stato ratificato a livello governativo nel 2007. Un grande successo per l’Europa nei negoziati è la scelta del sito: Iter verrà installato a Cadarache nel sud della Francia.
Iter è un programma trentennale che richiede 5 miliardi di investimenti in 10 anni per la costruzione, seguiti da 20 di sperimentazione.

Iter è la prima macchina avente per obiettivo la produzione di energia da fusione, in condizioni in cui predominerà il riscaldamento del plasma da parte dei nuclei di elio prodotti dalle reazioni di fusione rispetto a quello generato dai circuiti esterni. Iter è progettato per operare in regime di corrente indotta (corrente generata e mantenuta dal trasformatore) (400 secondi) ad alta potenza di fusione (500 MW). Con performance ridotte (Q ~ 5) (funzionamento non induttivo nella fase di mantenimento della corrente che viene sostenta mediante campi elettrici generati da radiofrequenza), Iter esplorerà anche cicli operativi lunghi fino, se possibile, all’operazione stazionaria, utilizzando i sistemi esterni di riscaldamento e di generazione della corrente per il riscaldamento del plasma e il suo controllo.
Iter è una macchina di dimensioni senza precedenti come si può apprezzare dalla dimensione della persona alla base della macchina nella figura: 24.000 tonnellate di alta tecnologia. La sua costruzione ha richiesto dieci anni di attività di R&S per sviluppare le tecnologie e l’ingegneria necessarie.
Iter, oltre a dimostrare la possibilità di portare e mantenere il plasma nelle condizioni fisiche necessarie per l’ottenimento dei guadagni su citati, dovrà:

? esplorare le condizioni di ignizione controllata;
? controllare le instabilità del plasma;
? dimostrare la possibilità di costruire e operare magneti superconduttori di dimensioni e prestazioni senza precedenti, per poter sostenere la reazione del plasma per tempi molto lunghi;
? smaltire gli elevati flussi termici che il plasma rilascia alle pareti (15-20 MW/m2);
? dimostrare la possibilità di effettuare le operazioni di manutenzione e di ispezione di un tokamak per mezzo di sistemi remotizzati.
? Testare i moduli di mantello fertile (triziogeno) di Demo

I componenti principali di Iter sono: la camera del plasma, nella quale prima di iniettare i gas reagenti viene fatto un vuoto


ultra spinto; il magnete «toroidale» costituito da bobine che circondano la camera del plasma; il sistema magnetico poloidale costituito da bobine ad anello disposte tutto intorno al toro.
All’interno della camera del plasma vi sono i componenti che sono destinati allo smaltimento dei carichi termici che il plasma scarica verso le pareti. Quello destinato a ricevere i carichi massimi è il cosiddetto Divertore che in Iter si trova nella parte inferiore della camera del plasma, mentre la parete principale della camera viene chiamata Prima Parete.
Accanto ai componenti principali vi sono una serie di componenti ausiliari che hanno varie funzioni: apportare al plasma la potenza necessaria al raggiungimento delle temperature necessarie; raffreddare la camera del plasma ed i componenti ad essa interni che operano a circa 140 °C; raffreddare i magneti che operano a circa -269 °C (quattro gradi sopra lo zero assoluto).
Iter dovrà anche provare varie configurazioni del componente fondamentale dei futuri reattori, il mantello fertile, destinato a produrre sia l’energia termica da trasformare in energia elettrica sia il Trizio che è un gas non presente in natura a causa del suo breve tempo di decadimento.

L’impianto è dimensionato per generare alcune migliaia di impulsi all’anno e verificare le soluzioni oggi ritenute idonee a sperimentare le tecnologie essenziali per una centrale a fusione, in particolare:
Dal punto di vista nucleare, la fluenza neutronica totale sarà di circa 0.1 MW a /m2 sulla prima parete dopo i primi 10 anni, corrispondenti a cica 1 dpa, displacement per atom, e circa 3 dpa dopo 20 anni.
Il flusso di neutroni da 14 MeV sulla prima parete, corrispondente a 0.2 ? 0.8 MW/m2, avrà valori significativi per la conduzione di prove su mantelli triziogeni: Iter servirà infatti come banco di prova per diversi concetti di mantelli triziogeni attualmente in via di sviluppo. Sulla base dei test condotti in Iter sarà possibile selezionare la soluzione (o le soluzioni) più efficace per produrre il trizio, necessario per compensare quello utilizzato dalle reazioni di fusione, e per dimostrare la possibilità di funzionamento stazionario.
Il progetto di Iter si è basato sull’impiego di tecnologie provate o di prototipi, in molti casi in scala reale, per i componenti con maggiore contenuto innovativo e/o critici. A questo riguardo, le sfide più importanti sono state:

? La realizzazione dei superconduttori in Ni3Sn per il magnete del campo toroidale e in NiTi per il solenoide centrale, di dimensioni e prestazioni senza precedenti. Durante la fase di R&D e proge ttazione di Iter, è stata sviluppata la tecnologia necessaria per la produzione dei filamenti, del cavo, del condotto, delle giunzioni, per gli avvolgimenti e per la realizzazione delle bobine. Sono stati realizzati prototipi in scala 1:3 del solenoide centrale e 1:5 della bobina del magnete del campo toroidale, e ne sono state provate le prestazioni nei regimi richiesti per Iter (40 kA a 13 T e 80 kA a 6 T, rispettivamente). La produzione di 29 tonnellate di Ni3Sn «Iter grade» in questa


fase, ha permesso di dimostrare e qualificare la capacità produttiva dell’industria in vista della costruzione della macchina.
? La messa a punto della tecnologia di fabbricazione della camera da vuoto (composta da 9 settori alti 15 m e larghi 9 m) con particolare riguardo alla precisione, alle saldature e alle fattibilità delle tolleranze richieste. Sono stati toroidale di Iter (scala 1:5) realizzati prototipi in scala reale che hanno permesso di dimostrare la precisione richiesta, la tenuta di vuoto e di pressione, la fattibilità delle tecniche di saldatura adottate e delle relative tecniche di controllo non distruttive.
? Lo smaltimento di un elevato flusso di calore sulle piastre del divertore, il componente in cui viene convogliato e smaltito il calore emesso dal plasma sotto forma di particelle. Tale smaltimento deve essere condotto senza inquinare o perturbare il plasma, e il calore depositato, dell’ordine di 10 MW/m2 in regime stazionario e fino a 20 MW/m2 in fasi transienti, deve essere efficientemente rimosso. Sono state sviluppate tecnologie ad hoc e sono stati realizzati prototipi in scala reale per le soluzioni adottate, basate sull’impiego di tubi in lega di rame (scambiatori di calore) protetti da piastre di tungsteno e Carbon Fiber Composites (materiali sacrificali resistente alle alte temperature) con un buon contatto termico con il tubo stesso. Parti delle piastre sono state provate per migliaia di cicli ai valori di carico termico massimo che si verificano in Iter.
? La dimostrazione della manipolazione remota dei componenti interni alla camera da vuoto, cioè i moduli di mantello e le cassette del divertore. Tali componenti devono essere rimpiazzati per usura. È, quindi, necessario intervenire rapidamente ed efficacemente con manipolazione a distanza, per via dell’attivazione della macchina. Per dimostrare la fattibilità di tali operazioni (tagli, rimozione, sostituzioni, saldature) in Iter, sono state realizzate facilities per la telemanipolazione sia del divertore sia dei moduli di mantello con l’utilizzo di prototipi.
? Lo sviluppo di sistemi di riscaldamento e di generazione di potenza con caratteristiche, imposte dai parametri di plasma di Iter, significativamente più avanzati rispetto a quelli già in uso nelle macchine esistenti. Su Iter, infatti, saranno installati due (forse tre) iniettori di fasci di atomi neutri, ciascuno con potenza pari a 16.5MW per 3600 s, con 40 A di corrente, ed energia del fascio pari a 1 MeV, per poter depositare energia fino al centro del plasma. Ciò ha richiesto una intensa attività di sviluppo per la sorgente di ioni negativi, per l’accelerazione e l’ottica del fascio, per il sistema di deflessione degli ioni residui e per l’isolamento elettrostatico a 1MV. Il sistema di riscaldamento e generazione di corrente basato su onde elettromagnetiche a radiofrequenza ha richiesto lo sviluppo di sorgenti ad alta potenza (2 MW ? cw) ed alta frequenza (170 GHz).
? Altri sistemi hanno richiesto un particolare sviluppo e/o la costruzione di prototipi, ad esempio l’iniettore di pellet per l’alimentazione del combustibile, le pompe criogeniche, il sistema per il ciclo del combustibile.

La definizione del progetto Iter ha


catalizzato negli ultimi 15 anni l’impegno di tutti i laboratori e gruppi di ricerca sulla fusione dei Paesi partner. La costruzione di Iter è iniziata a Cadarache (Francia) all’inizio del 2007. Il programma prevede la sua costruzione in 10 anni e lo sviluppo delle attività sperimentali in più fasi, in un arco di tempo di 20 anni. Al termine si provvederà alla messa in sicurezza e successivamente, in 6 anni, allo smantellamento e al trasporto delle scorie in un sito idoneo.
I costi di costruzione, come detto, sono stimati in 5 miliardi ? a valuta 2002. I partner contribuiranno in kind (forniranno cioè direttamente i vari componenti) per il 90% del costo totale, cioè con la fornitura di componenti realizzati direttamente dai partner stessi attraverso le rispettive Agenzie domestiche. Un ulteriore 10% sarà fornito in cash e sarà gestito direttamente da Iter.
L’Europa, che contribuirà per circa il 50% del costo totale di costruzione, ha stabilito a Barcellona (Spagna) la propria Agenzia domestica per Iter, «Fusion for Energy», che sarà responsabile delle forniture europee in-kind, promuoverà e metterà in atto un programma di ricerca sulla fisica e l’ingegneria del plasma e di sviluppo tecnologico orientati al successo di Iter e ad accelerarne il risultato (programma di accompagnamento). L’attività sperimentale sulle macchine operanti nell’Unione Europea, ivi incluso Jet, e la programmazione di aggiornamenti o costruzione di nuovi esperimenti sarà rivista ed allineata a questo obiettivo. Tra queste da segnalare una nuova macchina proposta dall’Italia denominata Fast che dovrà fornire supporto e anticipare sviluppi di fisica e tecnologia sia per Iter sia per Demo.
L’avvio della costruzione di Iter costituisce un punto di svolta per il programma a livello mondiale, da un lato per l’avvio della fase di realizzazione, dall’altro per la definizione del nuovo Next Step, cioè Demo.
L’Italia ha contribuito in modo sostanziale allo sviluppo di queste tecnologie specie nel campo dei magneti superconduttori, i componenti ad alto flusso termico, i controlli, la manutenzione remota e l’ispezione visiva tramite radar ottico, le tecnologie per il ciclo del combustibile e i dati nucleari. Un contributo essenziale è stato fornito anche per gli aspetti si sicurezza ed impatto ambientale Iter sarà, inoltre un test bed per i moduli di breeder blanket di Demo (il componente dove viene assorbita l’energia dei neutroni e prodotto il trizio) progettati dai vari partner.