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Realizzazione Tokamak JT-60SA

Responsabile Task Force: Ing. Antonio Cucchiaro
e-mail: antonio.cucchiaro@enea.it
tel.: +39 06 9400 5631
fax.: +39 06 9400 5799

Introduzione

La fusione termonucleare controllata è oggi considerata da tutti i paesi più industrializzati una opzione molto concreta come fonte di energia sicura, compatibile con l'ambiente e praticamente inesauribile. Le attività di ricerca per la fusione vengono eseguite nel nostro paese da alcuni decenni, contribuendo al raggiungimento degli obiettivi e benefici previsti dalla fusione nel lungo periodo. Il programma fusione è coordinato a livello europeo dall'Euratom e vede la partecipazione di tutti i paesi UE più la Svizzera. Le attività italiane, sono condotte dall'ENEA, che ha la funzione di coordinatore, dal CNR e da molte Università italiane.

La fusione termonucleare controllata è oggi considerata da tutti i paesi più industrializzati una opzione molto concreta come fonte di energia sicura, compatibile con l'ambiente e praticamente inesauribile. A conferma di ciò, Europa, Cina, Corea del Sud, India, Giappone, Federazione Russa e Stati Uniti hanno riunito i loro sforzi in un progetto di grande prestigio, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che rappresenta una tappa fondamentale per arrivare alla realizzazione del primo reattore dimostrativo a fusione (DEMO). ITER dovrà produrre 500 MW di potenza e dimostrare la possibilità di mantenere la reazione per un tempo sufficientemente lungo. L'impianto consentirà di verificare le tecnologie rilevanti per il reattore e fornirà gli elementi utili per la progettazione di DEMO.

A margine dei negoziati per decidere il sito di ITER, Europa e Giappone hanno ratificato un accordo di collaborazione denominato 'Broader Appproach' (BA) destinato ad accelerare lo sviluppo dell'energia da fusione. Il costo dell'accordo è ripartito in pari uguali fra Europa e Giappone (JAEA). L'accordo è regolato da specifici 'Agreement of Collaboration' con l'agenzia Europea Fusion for Energy che impegnano i vari paesi a fornire il proprio contributo. L'accordo, al quale l'Italia ha aderito, consiste in una serie di attività sia di fisica che di tecnologia che prevedono:

Vista della macchina tokamak JT-60SAFig.1- macchina tokamak JT-60SA

Per finanziare l'accordo, Francia, Italia, Spagna, Germania e Belgio hanno offerto dei contributi finanziari per forniture 'in kind'. L'offerta è stata fatta in considerazione del valore industriale e strategico di questo programma.

Costruzione Magnete Tokamak JT-60SA

L'Italia si è impegnata a contribuire allo sviluppo del Programma Broader Approach, affidando ad ENEA la costruzione, in collaborazione col suo omologo francese CEA, del magnete superconduttore di JT-60SA con incluse le casse di contenimento e le alimentazioni elettriche. JT-60SA è un tokamak in cui un gas caldo è confinato da un forte campo magnetico in una camera da vuoto toroidale. Il gas, costituito da idrogeno o deuterio, sarà scaldato a temperature superiori a 100 °C, con impulsi di 100 sec ogni ora. JT-60SA sarà dotato di un sistema di manipolazione remota per consentire la manutenzione di componenti all'interno della camera da vuoto investiti da un flusso neutronico di 1.5x1021neutroni/anno.
Sezione a D del tokamak JT-60SA.Fig.2 - Sezione a D di JT-60SA rispetto al vecchio JT-60JT-60SA è un Tokamak superconduttore di raggio maggiore di circa 3 m, il più grande mai costruito prima di ITER, in grado di confinare plasma di deuterio con una corrente massima di 5.5 MA, in configurazioni elongate a D (Fig.2), con singolo o doppio nullo. L'accoppiamento con il plasma di 41 MW di potenza di riscaldamento con iniettori di neutri ed antenne a microonde alla ciclotronica elettronica permette di operare con alte densità di plasma e significativi valori di flusso di potenza sul divertore. Il Tokamak JT-60SA sarà installato a Naka nella Torus Hall che attualmente ospita il Tokamak JT-60U. L'isolamento termico di JT-60SA sarà assicurato, sotto vuoto, da un criostato metallico. La macchina JT-60SA è stata progettata per raggiungere scenari di funzionamento quasi stazionari con impulsi della durata di circa 100 sec che richiedono l'impiego di magneti superconduttori. L'uso di materiali tradizionali come il rame porterebbe ad alte temperature dopo l'impulso di plasma e di conseguenza tempi lunghi tra una scarica e l'altra per consentire l'adeguato raffreddamento dei magneti. JT60SA è un Tokamak superconduttore di raggio maggiore di circa 3 m, il più grande mai costruito prima di ITER, in grado di confinare plasma di deuterio con una corrente massima di 5.5 MA, in configurazioni elongate a D, con singolo o doppio nullo. Il Tokamak superconduttore JT-60SA sarà installato a Naka in Giappone nella Torus Hall che attualmente ospita il Tokamak JT-60U. Il magnete toroidale di JT60SA è superconduttore, raffreddato da elio supercritico alla temperatura di 4.4 gradi Kelvin e termicamente isolato da un criostato. Il conduttore rettangolare in NiTi contenuto in una camicia in AISI è stato ottimizzato per ridurre i rischi di transizione rapida (quench) e migliorare la stabilità intrinseca. Ciascun conduttore è attraversato da una corrente di 25.7 kA e refrigerato da una portata in massa di elio di 4 g/s. L'analisi termoidraulica della bobina, considerando anche il riscaldamento nucleare, assicura condizioni operative fortemente stabili con un margine di temperatura di 1.2 gradi Kelvin.

Per la realizzazione della macchina JT-60SA l'ENEA è responsabile di:

sistema magnetico toroidale di JT-60SAFig.3- Vista del sistema magnetico
toroidale di JT-60SA.

Il sistema magnetico di JT-60SA (Fig. 3), è costituito di tre sotto sistemi: i 18 magneti superconduttori (NbTi) di campo toroidale (TF) che opereranno prevalentemente in regime stazionario; i 4 moduli che costituiscono il solenoide centrale (CS) in Nb3Sn necessario per indurre la corrente nel plasma, che opereranno in un regime di corrente variabile; infine i 6 magneti di forma toroidale in NbTi che generano il campo poloidale necessario per stabilizzare il plasma (EF). In particolare, i 18 moduli di magnete toroidale TF saranno di forma a D avvolti con un cavo in NbTi, raffreddato da un flusso forzato di elio supercritico alla temperatura di 4.4 gradi Kelvin. Dei 18 moduli TF che costituiscono il magnete, 9 saranno realizzati dall'ENEA e 9 dal CEA Francese.


Sezione dell'avvolgimento della bobina toroidale di JT-60SA.Fig.4 - Sezione dell'avvolgimento della
bobina toroidale di JT-60SA

Il cavo superconduttore (Fig. 4) è costituito da una treccia di 162 fili di rame per garantire il trasporto di corrente in caso di transizione dei fili superconduttori e da 324 fili di una lega NbTi immersi in una matrice di rame. Ciascun avvolgimento della bobina è formato da 6 doppi pancake collegati in serie da giunti elettrici interni per assicurare la continuità elettrica; giunti esterni garantiscono la connessione elettrica con le bobine contigue mentre dei collettori provvedono alla distribuzione del flusso di elio. Ogni pancake è formato da sei spire, con un isolamento di spira dello spessore di 1 mm. Ciascun doppio pancake è avvolto da isolante con uno spessore di 1 mm; mentre l'intero avvolgimento ha un isolamento verso massa di 3 mm. L'isolamento elettrico è realizzato con tele di vetro e resina epossidica impregnata sotto vuoto. L'intero pacco di avvolgimento della bobina ha dimensioni nominali di 345 mm (toroidalmente) e 150 mm (radialmente).

La realizzazione delle 9 bobine richiede lo sviluppo di impianti ed attrezzature prototipali che rivestono carattere innovativo e di ricerca, sia per lo sviluppo delle soluzioni costruttive, che per la definizione delle procedure realizzative degli elementi componenti la bobina toroidale. L'avvolgimento della bobina è contenuto in una cassa in AISI che costituisce il principale componente strutturale del sistema magnetico ed è caratterizzato da precisioni molto accurate per garantire il corretto accoppiamento con la bobina stessa. La cassa delle bobine toroidali è una struttura saldata di piastre con spessore nell'intervallo 15-100 mm. Ogni cassa sarà composta da un numero limitato di sottoinsiemi per minimizzare le saldature necessarie all'assemblaggio finale. Le casse delle bobine toroidale forniranno il supporto meccanico per tutto il sistema magnetico di JT-60SA.

bobina toroidale di JT-60SAFig.5 - Vista della bobina
toroidale di JT-60SA.
Sottoinsiemi della cassa di contenimento della bobinaFig.6 – Sottoinsiemi della cassa
di contenimento della bobina.

Alimentazione elettrica della macchina JT-60SA

L'ENEA deve fornire parte delle alimentazioni elettriche del sistema magnetico di JT-60SA, per un totale di 8 alimentatori ad alta tensione e corrente (6 alimentatori per le bobine CS1, CS2, CS3, CS4, EF1 e EF6 ; 2 alimentatori per le bobine FPPCC (Fast Plasma Position Control) con relativi interruttori e trasformatori, più quattro sistemi di interruzione della corrente continua.
Le alimentazioni elettriche (Fig.7) degli avvolgimenti devono fornire una corrente continua regolabile in grado di riprodurre gli scenari di corrente desiderati.
I 4 sistemi di interruzione della corrente continua [Switching Network Units (SNUs)] generano impulsi di alta tensione sugli avvolgimenti delle bobine del trasformatore centrale della Macchina JT60-SA.
Gli scenari di corrente di un tokamak prevedono una prima fase caratterizzata da una lenta salita (ramp-up) della corrente prodotta dal convertitore a tiristori, fino a un massimo valore prestabilito (inferiore a 20 kA nel caso dei CS). Quando questo valore è stato raggiunto, la SNU, inserendo una opportuna resistenza in serie all'avvolgimento, produce una brusca derivata di corrente che non potrebbe essere sostenuta dal solo convertitore a tiristori. Tale derivata di corrente induce la necessaria tensione toroidale nel plasma.
Ogni SNU (Fig.8) fornita consiste in un interruttore veloce principale (SS), un making switch (MS), due set di resistori di break down (R1 e R2) regolabili tramite i relativi selettori, due interruttori di sicurezza per la messa a terra (GS). Inoltre, deve essere supportata da ogni sistema di controllo, protezione, misura, raffreddamento necessario al suo funzionamento.

Fig.7-Sistema di alimentazione AC/DC per JT-60SA Sistema di alimentazione AC/DC per JT-60SA
Fig.8- Schema funzionale del sistema SNU Schema funzionale del sistema SNU

 

Realizzazione Tokamak JT-60SA in dettaglio

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