DEMO

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
bussola Disambiguazione – Se stai cercando altri significati, vedi Demo (disambigua).

DEMO è un reattore nucleare a fusione studiato in Europa. Gli studi sono iniziati prima del 1995 e proseguiranno fino alla progettazione costruttiva del reattore (prevista verso il 2030). Lo scopo principale del progetto è dimostrare la possibilità di generare energia elettrica tramite la reazione di fusione nucleare. Questo a differenza del progetto ITER, che ha lo scopo di dimostrare la possibilità di ottenere del plasma in grado di sostenere la reazione di fusione nucleare per un tempo sufficientemente lungo (1000 s). Le caratteristiche del plasma di DEMO devono quindi essere più spinte di quelle del plasma di ITER, cioè tali da mantenere la stabilità della reazione di fusione per un tempo indeterminato. Il consumo di trizio, molto maggiore di quello previsto in una macchina con plasma pulsato come ITER, richiede la presenza in DEMO di un blanket triziogeno[1], cioè di una parte di macchina destinata a produrre trizio dalla cattura di un neutrone da parte del litio. Infatti il trizio, essendo un isotopo con un periodo di dimezzamento di circa 12 anni[2], deve essere prodotto in loco.

Caratteristiche generali di DEMO[modifica | modifica sorgente]

La reazione di fusione in DEMO sarà ottenuta per confinamento magnetico in una macchina tipo tokamak (vedi la voce fusione nucleare). Dato che nello studio di DEMO sono previsti quattro modelli diversi, sono date le caratteristiche minima e massima previste per i vari modelli.

  • Potenza elettrica della centrale (GW) 1,33-1,55
  • Potenza generata dalle reazioni di fusione (GW) 2,53-5,00
  • Raggio al baricentro del plasma (m) 6,10-9,55
  • Raggio interno del plasma (m) 4,1-6,6
  • Raggio esterno del plasma (m) 8,2-13,1
  • Altezza totale del plasma (m) 8,6-12,3
  • Campo magnetico toroidale sull'asse (T) 5,6-7,0
  • Efficienza globale dell'impianto 31-60%

La produzione di energia elettrica[modifica | modifica sorgente]

Scopo di DEMO è di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica dalla reazione di fusione nucleare, mentre dimostrare l'economicità di questa forma di produzione di energia è lasciato a successive filiere di reattori. Tuttavia questi reattori dovranno sfruttare l'esperienza operativa di DEMO per raggiungere lo scopo di avere una produzione di energia elettrica a costi più bassi di quelli dell'energia prodotta da altre fonti (carbone, fissione nucleare). La densità di potenza (rapporto fra potenza generata e volume in cui viene generata questa potenza) della fusione nucleare è nettamente inferiore a quella della fissione nucleare ed inferiore anche a quella della potenza ottenuta da combustibili fossili, quindi la fusione nucleare richiede strutture più voluminose e costose. Per ridurre i costi dell'energia si deve aumentare il rendimento termodinamico del ciclo di generazione dell'energia, cioè si deve aumentare la temperatura del ciclo (vedi ciclo di Carnot). Quindi come vettore termico (cioè come fluido che trasferisce l'energia da dove viene generata a dove viene trasformata in energia elettrica) non si può utilizzare acqua (come nelle centrali elettriche a combustibili fossili o nei reattori a fissione nucleare ad acqua - PWR e BWR), ma si devono usare metalli liquidi o gas. In DEMO si pensa di utilizzare come vettore termico Elio o una lega di Piombo con il 17% di Litio.

La lega di piombo con il 17% di atomi di litio (Pb-17Li) rappresenta un eutettoide, cioè una lega che fonde a temperature relativamente basse (vedi eutettico), la temperatura di fusione del Pb-17Li è di 235 °C, quindi il limite inferiore di temperatura per l'utilizzo di questa lega come vettore termico è di 250 °C, mentre il limite superiore, dato praticamente dalla resistenza meccanica dei materiali strutturali, è superiore a 600 °C nel caso di strutture in acciaio. Il Pb-17Li, essendo un conduttore elettrico, quando si muove in un campo magnetico, come quello generato in un reattore a fusione, è soggetto, oltre ai normali fenomeni fluidodinamici, anche a fenomeni magnetoidrodinamici, che possono aumentare sensibilmente la resistenza al movimento in queste condizioni, riducendo quindi la velocità con cui può muoversi nel tokamak.

L'elio, essendo gassoso, ha caratteristiche di scambio termico molto basse, quindi può essere utilizzato solo tenendo alte velocità e pressione, la pressione a cui si fa riferimento negli studi di DEMO è di 8 MPa. Questa elevata pressione del gas limita la massima temperatura di impiego a circa 500 °C in strutture resistenti di acciaio, mentre può essere aumentata utilizzando come materiali strutturali metalli refrattari (particolarmente tungsteno).

Il vettore termico, dopo essere stato riscaldato dalla reazione di fusione viene portato fuori dal recipiente di contenimento del vuoto (vacuum vessel - VV) e, nel caso del Pb-17Li, cede il calore ad un gas che viene utilizzato in una turbina, che, muovendo un alternatore, genera l'energia elettrica. Il passo intermedio dello scambio di calore con un gas per utilizzarlo in turbina naturalmente è assente nel caso dell'elio.

I componenti principali di DEMO[modifica | modifica sorgente]

Alcuni componenti, che in realtà sono fondamentali per il reattore a fusione, per DEMO non vengono ancora studiati in modo particolareggiato (recipiente di contenimento del vuoto, magneti) e, negli studi attuali, le loro caratteristiche sono estrapolate da quelle dei componenti corrispondenti di ITER. Di seguito sono presentati i componenti più significativi di DEMO che rappresentano sviluppi originali.

Prima parete[modifica | modifica sorgente]

L'energia è prodotta nella macchina DEMO dalla reazione di fusione:

{}^{2}_{1}\mbox{H} + {}^{3}_{1}\mbox{H}  \rightarrow {}^{4}_{2}\mbox{He} + {}^{1}_{0}\mbox{n} + 17.6 \mbox{ MeV}

cioè ogni reazione provoca la formazione di una particella alfa (α) (nucleo di elio) e di un neutrone. Mentre i neutroni hanno un cammino libero nella materia relativamente elevato, le particelle α sono fermate in spessori di pochi centimetri di acciaio. Questo significa che circa il 19% dell'energia prodotta dalla reazione (cioè tutta quella che viene asportata dal plasma da parte delle particelle α) riscalda i primi centimetri di materiale solido che si trovano di fronte al plasma stesso. Questa zona, dove la densità di potenza è elevatissima, è indicata come prima parete. In DEMO la prima parete ha uno spessore di 25 mm ed è refrigerata con elio o con Pb-17Li.
Nel caso di refrigerazione usando He il materiale strutturale di riferimento è un acciaio ad alto contenuto di cromo, rinforzato con dispersione di ossidi nella parte più prossima al plasma. La prima parete è percorsa da canali orizzontali, in cui fluisce elio con una temperatura di ingresso di 300 °C ed una temperatura di uscita di 500 °C. Questo elio viene successivamente inviato in turbina insieme all'elio che ha refrigerato blanket e divertore.
Invece, nel caso di uso di Pb-17Li, si prevede di usare strutture in materiale composito di fibre di carburo di silicio (SiC) in una matrice dello stesso materiale sotto forma ceramica. Questo per due motivi: il primo è che, dato che il SiC è un isolante elettrico, usando questo materiale la resistenza al movimento del Pb-17Li per fenomeni magnetoidrodinamici è molto limitata, il secondo è che, in questo modo, è possibile sfruttare la capacità del Pb17Li di asportare calore a temperature superiori a 700 °C, senza un decadimento eccessivo delle caratteristiche del materiale strutturale. I problemi collegati alla realizzazione di strutture massicce in composito a base di SiC sono in corso di studio.

Blanket[modifica | modifica sorgente]

Il blanket di un reattore a fusione ha due funzioni fondamentali:

  1. generare il Trizio (T) che sarà successivamente usato nella reazione di fusione
  2. trasferire ad un fluido (refrigerante) l'energia asportata dal plasma da parte dei neutroni

Per svolgere la prima funzione è necessaria la presenza di un breeder (materiale fertile) di Li o di un suo composto, in DEMO si prevede di usare o Pb-17Li oppure ortosilicato di litio (Li4SiO4), che è un composto ceramico. Il Li6, quando è soggetto a un flusso neutronico, assorbe un neutrone e genera un nucleo di T e una particella α. Dato che per ogni reazione di fusione si forma un solo neutrone, è necessario aggiungere nel blanket anche un materiale che, sotto flusso neutronico, emetta più neutroni di quelli che assorbe (moltiplicatore), allo scopo di compensare i neutroni che sfuggono dal ciclo (ad esempio quelli assorbiti dai materiali strutturali). Questo materiale, nel caso del Pb-17Li, è il piombo stesso mentre, per l'ortosilicato di litio, si usa come moltiplicatore il berillio. Come refrigerante si usa He o Pb-17Li. La struttura è prevista generalmente in acciaio ad elevato contenuto di Cr per avere la massima resistenza possibile a temperature elevate (fino a circa 600 °C). I modelli di blanket previsti per DEMO sono quattro, ognuno con propri vantaggi e svantaggi.

  1. L'unico blanket che utilizza ortosilicato di litio/berillio è refrigerato da He e contiene i due materiali (entrambi solidi) sotto forma di letti di sferette (pebble bed). L'He fluisce a bassa velocità attraverso questi letti, asporta il T che si genera nell'ortosilicato di litio e lo conduce all'esterno del recipiente di contenimento. Qui il T è separato dall'He ed è utilizzato per alimentare la reazione di fusione. Altro He fluisce, con velocità di alcune decine di m/s, nelle griglie che separano i due letti di sferette (Be e ortosilicato) per asportare il calore prodotto dal rallentamento dei neutroni, entrando nel blanket a 300 °C ed uscendo a 500 °C, questo He viene utilizzato direttamente in turbina per produrre l'energia elettrica.
  2. Un differente modello di blanket prevede l'uso di Pb-17Li che si muove a bassa velocità, con l'unico scopo di trasportare il T fuori dal blanket ed arrivare all'impianto di separazione; in questa configurazione il Pb-17Li non può funzionare come refrigerante che, in questo caso, è He che scorre in canali a contatto con il breeder. L'He entra nel blanket a 300 °C ed esce a 500 °C, per essere utilizzato direttamente in turbina. Il Pb-17Li, uscito dal blanket a circa 300 °C, viene trattato per asportare il T che si è formato nel tempo in cui è stato soggetto al flusso neutronico.
  3. Il terzo modello di blanket prevede che parte del calore venga asportata direttamente dal Pb-17Li, che quindi deve circolare a velocità relativamente elevate e può essere soggetto a fenomeni magnetoidrodinamici importanti. Per ridurre gli effetti di questi fenomeni si interpone un inserto isolante in SiC fra il Pb-17Li e le pareti in acciaio che fungono da griglie di raffreddamento. Il Pb-17Li esce dal blanket a 700 °C, e, dopo aver ceduto il calore ad un flusso di He da utilizzare in turbina, viene purificato e reimmesso nel blanket. L'elio, che esce dal blanket a 500 °C, viene utilizzato direttamente in turbina a ciclo chiuso.
  4. L'ultimo modello di blanket prevede una refrigerazione basata unicamente su Pb-17Li, con temperature di uscita superiori a 1000 °C: a causa delle temperature così elevate questo modello non può avere strutture contenitive in acciaio (come invece si ha per gli altri tre modelli di blanket). Si prevede che le strutture contenitive saranno fabbricate con un composito di fibre di SiC in una matrice dello stesso materiale.

Divertore[modifica | modifica sorgente]

Nel plasma, oltre agli atomi di isotopi di idrogeno (deuterio e trizio) si trovano anche nuclei più pesanti, provenienti dai materiali strutturali o da fughe di aria o altri gas nel vuoto. Questi nuclei, se lasciati nel plasma, lo avvelenerebbero, facendolo spegnere in tempi estremamente ridotti. Per questo si sfrutta la loro massa, più elevata di quella degli isotopi di idrogeno, per portarli in una zona ben determinata del plasma, in cui vanno ad interagire con una struttura realizzata appositamente per estrarli dal plasma (divertore). Il divertore è soggetto a flussi termici localizzati estremamente alti, in ITER si prevede che il picco sia di circa 15 MW/m², questa potenza viene asportata con acqua a bassa temperatura (150 °C). Il divertore previsto per DEMO ha la stessa geometria del divertore di ITER, tuttavia, dato che la potenza che viene asportata con il divertore varia dal 17% al 24% dell'energia totale prodotta nella reazione di fusione, una soluzione come quella di ITER (fluido a bassa temperatura) non è proponibile, quindi, per il raffreddamento del divertore, si utilizza He o Pb-17Li a temperature sufficientemente elevate perché il fluido possa essere usato per produrre energia in turbina, comunque in DEMO si prevede che i picchi di potenza possano essere ridotti a circa 10 MW/m². Anche nelle condizioni più favorevoli previste per DEMO, è necessario proteggere la struttura del divertore con un materiale che sia asportato dal plasma prima che questo interagisca direttamente con la struttura (sacrificial shield), che, nel caso di DEMO è tungsteno (W)
L'uso di He comporta, per poter asportare una potenza superficiale come quella prevista, che i flussi viaggino a velocità estremamente elevate (più di 100 m/s) e che ci siano strutture tali da favorire la turbolenza del moto, per avere coefficienti di scambio termico sufficientemente elevati. Comunque, anche in queste condizioni, le temperature locali del materiale strutturale possono salire anche sopra i 700 °C, quindi alcuni studi sono orientati a sostituire nel divertore l'acciaio con tungsteno o sue leghe.
Il problema della refrigerazione con Pb-17Li è sempre legato ai fenomeni magnetoidrodinamici, quindi il materiale strutturale previsto per il divertore (nel caso che il refrigerante sia Pb-17Li) è il SiC, sotto forma di composito in fibre entro una matrice dello stesso materiale. Restano i problemi, già accennati, di costruire strutture complesse con questo materiale.

Situazione degli studi su DEMO[modifica | modifica sorgente]

  • Gennaio 2006: Gli studi attuali di DEMO sono coordinati dall'EFDA (European Fusion Development Agreement), organismo dell'Unione Europea, e vengono condotti in diverse nazioni europee. Oltre agli studi tecnici su blanket/prima parete (si prevede che questi due componenti vengano integrati in un'unica struttura) e sul divertore sono in corso studi economici sul migliore utilizzo dell'energia di reazione e sulla migliore taglia dell'impianto. Infine sono in corso studi socioeconomici per affrontare il problema di insediare l'impianto senza suscitare l'opposizione della popolazione locale a questa nuova tecnologia. È previsto di provare in ITER modelli dei blanket refrigerati ad He, mentre ci sono forti difficoltà per provare in ITER divertore e prima parete a causa dei problemi di sicurezza collegati alla presenza di gas ad alta temperatura.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ In ITER il blanket serve unicamente ad asportare l'energia prodotta dalla reazione di fusione, cioè è uno shielding blanket e non un breeding blanket, sebbene anche per ITER siano stati effettuati studi di breeding blanket - G. Simbolotti et al., ITER driver blanket, European Community design, Fusion Engineering and Design 22 (1993); C. Nardi, L. Petrizzi, G. Piazza, A breeding blanket in ITER-FEAT, Fusion Engineering and Design 69, (2003)
  2. ^ P. Batistoni et al, Energia da fusione, stato dell'arte e nuove prospettive, edizioni ENEA 2008

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]