Costruzione e qualificazione di componenti ad alto flusso termico per reattori a fusione - Fusione termonucleare

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Costruzione e qualificazione di componenti ad alto flusso termico per reattori a fusione


Intervista a Eliseo Visca, della Sezione Tecnologie della Fusione del Centro ENEA di Frascati

 Menzione speciale tra le "Eccellenze ENEA 2008"  

L’indipendenza energetica, la diminuzione progressiva dei combustibili tradizionali e il forte impatto ambientale causato dal loro utilizzo, insieme all’aumento progressivo dei bisogni energetici dei paesi in via di sviluppo, rendono la ricerca di fonti energetiche alternative sempre più pressante.
Per quanto riguarda la fusione nucleare, i cui principi fisici sono stati postulati ormai da decenni, è arrivato il momento di provare l’effettiva possibilità di produrre energia utilizzando questo processo.
Il processo di fusione consiste nella reazione fra due nuclei a basso numero atomico che fondono in un nucleo più pesante con produzione di energia. Questo tipo di reazioni sono quelle che alimentano il sole e le stelle ed avvengono, quindi, in condizioni ambientali estremamente critiche: altissima pressione e temperatura. In tali condizioni le masse gassose in cui avvengono le reazioni nucleari si trovano in un particolare stato, detto plasma, in cui gli elettroni si separano dai rispettivi nuclei, creando un gas localmente ionizzato ma globalmente neutro.
Voler riprodurre tali condizioni sulla terra implica grandi difficoltà tecnologiche. Tutto il mondo industrializzato sta investendo nella ricerca di soluzioni tecnologiche in grado di rendere la fusione nucleare un’attraente alternativa ai sistemi standard di produzione di energia. Nonostante le grandi difficoltà e gli elevati costi della ricerca, l’enorme vantaggio che spinge comunque in questa direzione sta nel fatto che i combustibili della fusione nucleare, isotopi dell’idrogeno, sono una fonte praticamente inesauribile e che il risultato della reazione è un atomo stabile, cioè non radioattivo, che rende minimo l’impatto ambientale.
Il compito di dimostrare la possibilità di produrre energia dal processo di fusione è affidato alla macchina ITER, un reattore toroidale di grandi dimensioni. I lavori per la costruzione di ITER, che dovrebbe produrre 500 MegaWatt (MW), sono già iniziati a Cadarache, nel sud della Francia. La costruzione di ITER rappresenta una delle più grandi imprese scientifiche e tecnologiche dei prossimi decenni, una sfida entusiasmante per ricercatori, tecnologi e industrie dell’Europa, Giappone, Cina, India, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti. Anche l’Italia, attraverso l’ENEA, partecipa attivamente all’attività internazionale di ricerca e sviluppo di ITER, e molti sono gli aspetti in cui l’Ente è coinvolto.
Eliseo Visca, responsabile del gruppo di ricerca di ‘Tecnologie speciali e sviluppo materiali’ ci parla della “Costruzione e qualificazione di componenti ad alto flusso termico per reattori a fusione”, uno dei progetti premiati da “E2-Eccellenze ENEA 2008”.

Ing. Visca, la costruzione della macchina ITER è un’impresa scientifica e tecnologica che non conosce precedenti. Ci parli delle tecnologie messe a punto dal suo gruppo di ricerca e ci spieghi quali aspetti, del complesso funzionamento di ITER, esse contribuiscono a risolvere.
L’esperienza acquisita dal nostro laboratorio nel campo delle giunzioni fra materiali ceramici e materiali metallici, della tecnologia del vuoto e della tecnologia delle alte pressioni, fino a poco tempo fa destinata alla realizzazione di componenti speciali per le diagnostiche e i sistemi ausiliari delle macchine tokamak sperimentali per lo studio della fusione termonucleare controllata, è stata estesa con successo alle problematiche inerenti il funzionamento di un reattore a fusione e in particolare alla costruzione dei componenti affacciati al plasma di ITER,  che devono sostenere carichi termici elevatissimi.
I componenti affacciati al plasma sono essenzialmente degli scambiatori di calore che devono trasferire il calore del plasma ad un fluido refrigerante. La zona in cui sono situati i componenti che abbiamo sviluppato, prende il nome di “divertore” ed è la parte della camera in cui i carichi termici sono massimi: in uno spessore dell’ordine della decina di mm si possono avere, in condizioni estreme di funzionamento, differenze di temperatura di 2000°C. Inoltre, le particelle del plasma che incidono sul divertore hanno un’energia tale da indurre fenomeni erosivi. Per proteggere i tubi del divertore, al cui interno passa acqua pressurizzata a 120°C, sono stati scelti materiali particolarmente resistenti alle alte temperature come il tungsteno (W), che fonde a 3370°C, e il CFC  un composito  di fibra di carbonio in matrice di carbonio , che è stabile fino a 3650°C.
La scelta di questi materiali ha introdotto difficili problemi tecnologici le cui soluzioni devono, oltretutto, sottostare a specifiche progettuali molto stringenti, che riguardano la sicurezza degli impianti.
In particolare, la giunzione tra il tubo refrigerante e il materiale di protezione è stato uno scoglio che per molti è apparso insormontabile. Il nostro laboratorio, stimolato dalla sfida, ha raggiunto l’obiettivo e ha risolto il problema dell’accoppiamento tubo-materiale di protezione, depositando alcuni brevetti che coprono la proprietà intellettuale delle metodologie utilizzate. Il risultato è che oggi, in Europa, solo l’ENEA e la Plansee, un’industria austriaca, possiedono una tecnologia affidabile per realizzare questo tipo di giunzioni.
Ma non ci siamo limitati alla soluzione di questa sola problematica: siamo andati avanti studiando un sistema di semplificazione ed economicizzazione dell’intero processo.
Abbiamo così costruito all’interno dell’ENEA numerosi campioni dimostrativi in piccola scala che hanno raggiunto altissime prestazioni,  riconosciute a livello internazionale. In seguito abbiamo realizzato un prototipo, di dimensioni ridotte ma significative, della parte verticale del divertore di ITER (la più sollecitata), che è stato collaudato in Francia con successo. Il prototipo ha infatti resistito a 2000 cicli di carico a 15 MW/m2 di flusso di calore attraverso la superficie del rivestimento in  W e a 2000 cicli a 20MW/m2 per la parte in CFC, ottenendo le prestazioni richieste dalle specifiche costruttive di ITER. Lo stesso prototipo è stato anche provato per determinare il flusso termico massimo che fosse in grado di sopportare: 35MW/m2 è stato il risultato ottenuto. Un record assoluto per le condizioni di prova previste, che ha confermato l’affidabilità  della nostra tecnologia costruttiva e attirato l’interesse dell’industria.

Da questo momento la nostra avventura tecnologica ha assunto un aspetto nuovo, formalizzato in un accordo di collaborazione tra ENEA e Ansaldo Ricerche, che ha consentito  l’acquisizione di numerose commesse europee, portate a termine grazie al know-how ormai consolidato in ENEA. Questa collaborazione ha inoltre permesso all’industria italiana di partecipare alla fase di qualifica in cui l’Europa si candida come fornitore del divertore di ITER. L’importo previsto per questo componente si aggira intorno ai 130 milioni di Euro.

In che cosa si distingue il vostro risultato rispetto a tecnologie analoghe, sviluppate in altri Paesi?
Il nostro, come ho già detto, non è un singolo risultato bensì l’integrazione di una serie di processi tecnologici innovativi. Sono tante le soluzioni tecniche che abbiamo dovuto ideare per risolvere problemi che  non avevamo mai affrontato prima. I nostri mezzi non erano illimitati e quindi le soluzioni dovevano essere funzionali, efficienti, rapide, ma anche economiche. E’ proprio mettendo in atto questi criteri che abbiamo fornito soluzioni innovative per il rivestimento del divertore.
Le tecniche proposte dagli altri Paesi prevedono sostanzialmente due processi per la preparazione delle cosiddette ‘tegole’ di protezione in CFC: l’AMC (Active Metal Casting), brevettato da PLANSEE, e dell’HIP (Hot Isostatic Pressing) per la loro giunzione con il tubo.
La prima, l’AMC, richiede una laboriosa fase di preparazione delle superfici da accoppiare: un trattamento al laser per creare dei micro canali e un successivo trattamento, per deposizione chimica, del Titanio allo stato di vapore. Solo a questo punto si procede con la fusione del rame all’interno di queste superfici, necessario come cuscinetto termico e collante con il tubo di raffreddamento.
La seconda, l’HIP, necessita di una apparecchiatura complessa che opera ad alte temperature e pressioni (1000°C, 100MPa), utilizzata notoriamente per la sinterizzazione delle polveri. Questo processo di giunzione però, induce enormi deformazioni residue che richiedono, per ottenere le richieste tolleranze di lavorazione, successive lavorazioni meccaniche.
Il nostro sistema di preparazione delle tegole di CFC è economico e utilizzabile in un laboratorio con attrezzature più convenzionali. Abbiamo ideato il PBC (Pre-Brazed Casting) che consiste in una lavorazione meccanica delle superfici senza laser, in un processo di brasatura al Titanio e nella successiva fusione del rame. I risultati ottenuti sono simili, se non superiori, a quelli dell’ACM di Plansee.
La nostra alternativa all’HIP si chiama HRP (Hot Radial Pressing).  Per giuntare le tegole al tubo di raffreddamento abbiamo pensato di pressurizzare il solo tubo dall’interno, affrontando e risolvendo con successo tutti i problemi relativi all’uso di pressioni elevate (60MPa) e dell’alto vuoto. Abbiamo così ottenuto un sistema di giunzione affidabile, perfettamente monitorabile in ogni fase ma soprattutto più economico, in quanto viene eliminato l’uso del forno HIP, perchè sono sufficienti un forno in aria e una camera da vuoto.

Quali competenze sono necessarie per realizzare componenti così tecnologicamente avanzati? Ci parli del suo gruppo di lavoro.
Storicamente il mio laboratorio ha da sempre supportato le attività di ricerca effettuate nella macchina tokamak FTU (reattore sperimentale) di Frascati, dando il suo contributo alla soluzione  di  problemi relativi all’accoppiamento tra materiali dissimili come metallo e ceramica e sui problemi derivanti dalle condizioni di ultravuoto. Nel laboratorio abbiamo quindi competenze di meccanica, necessarie per lo sviluppo di attrezzature e impianti, di elettronica per l’acquisizione dati e controllo dei processi, di chimica per il trattamento delle superfici. Infine, l’analisi di problemi termo meccanici, attraverso l’uso di strumenti di calcolo informatici è stata un indispensabile supporto a tutta l’attività sperimentale. I risultati ottenuti sono stati possibili grazie ad un lavoro di squadra in cui ognuno ha fatto al meglio la propria parte soprattutto nei momenti difficili, in cui inevitabili contrattempi mettevano in dubbio la possibilità di raggiungere i risultati richiesti nei giusti tempi. Tutti si sono sacrificati quando è stato necessario, mostrando grande volontà e spirito di gruppo: Stefano Libera, Andrea Mancini, Selanna Roccella, Luigi Verdini.  Altrettanto essenziali sono stati il sostegno e la fiducia del nostro diretto responsabile, Aldo Pizzuto, Capo Gruppo Ricerca  ENEA sulla fusione.

Lei accennava al rapporto con Ansaldo Ricerche e alle importanti prospettive che si sono aperte grazie a questa collaborazione. Prevede un ulteriore coinvolgimento dell’industria italiana nella realizzazione dei componenti di  ITER?
Certamente. Oramai ITER è pronto per la fase di costruzione grazie alla disponibilità di tecnologie come quella che abbiamo sviluppato. Si sta entrando, quindi, nella fase dei ‘procurement’, dei bandi di gara per la fornitura dei componenti del reattore, ai quali solo industrie qualificate potranno accedere. Il nostro know-how è ora messo a disposizione delle industrie italiane, che potranno rispondere a queste gare con un elevato grado di competitività.
L’ENEA è disponibile ad affiancare l’industria nella fase realizzativa di questi prestigiosi componenti, continuando a fornire il supporto tecnologico indispensabile in un progetto come ITER, che propone sfide sempre nuove e più difficili.

I vostri studi sono quindi all’avanguardia e dimostrano che in Italia la ricerca scientifica sulla fusione produce importanti risultati.
Quando, all’inizio degli anni ’90, fu deciso di realizzare il progetto di ITER, il livello tecnologico era assolutamente insufficiente per soddisfare i requisiti richiesti per il suo  funzionamento. Dopo dieci anni di attività di ricerca e sviluppo si è arrivati a colmare il gap, che proprio nel settore dove si è impegnato il nostro gruppo, era particolarmente significativo. E’ da ricordare comunque che l’ENEA porta avanti numerosi progetti sulla fusione ed è presente in molti altri campi cruciali relativi alla costruzione di ITER, come la superconduttività, la manutenzione remota e la metrologia, i controlli, il ciclo del combustibile, i riscaldamenti ausiliari, dati nucleari e diagnostiche. Anche negli studi di sistema (sicurezza, progettazione) abbiamo dato un grosso contributo. Il tutto a coronamento di un programma nazionale coordinato da ENEA, che vede, oltre al nostro Ente, la presenza di altri partner italiani (CNR-MI, Consorzio RFX, molte Università), coinvolti da tempo in un programma di fisica e tecnologia che ci pone tra i Paesi più competenti nel campo della fusione.

Qual è la prossima sfida che vi attende?
La prossima sfida è quella di rendere il sistema industriale italiano in grado di competere con il resto d’Europa nel fornire i componenti ad alto contenuto tecnologico per ITER e sviluppare le tecnologie più direttamente rilevanti per il reattore vero e proprio.

 

 


da sin.: Luigi Verdini, Selanna Roccella, Andrea Mancini, Stefano Libera,
Eliseo Visca durante la cerimonia di premiazione di "E2-Eccellenze ENEA 2008" 

 

 Il gruppo di ricercatori nei laboratori del Centro ENEA di Frascati

 

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