“I due prototipi SPIDER & MITICA avranno prestazioni mai fino ad ora raggiunte”

NEUTRAL BEAM TEST FACILITY

L’obiettivo scientifico del progetto PRIMA è mettere a punto un sistema per ottenere un fascio di atomi ad alta energia e di potenza pari a 16 megawatt, con un funzionamento dell’impianto pressochè continuo, che ser-vità a riscaldare il plasma di ITER.

Sono prestazioni mai fino ad ora raggiunte, da qui la necessità di trovare il luogo adatto dove progettare, costruire e provare un dispositivo così complesso:

- spazi sufficientemente ampi per contenere le grandi ap-parecchiature in prova;

- una rete di alimentazione in grado di fornire le elevate potenze richieste;

- risorse adeguate per realizzare edifici e infrastrutture;

- un’organizzazione solida, con un laboratorio, ingegneri e fisici esperti, in grado non solo di progettare, ma anche di operare l’impianto, assistiti da un gruppo di tecnici e amministrativi competenti.

Le realizzazioni sono oggi in corso e i lavori già comple-tati hanno consentito l’avvio delle installazioni delle prime apparecchiature la cui fornitura è affidata all’Europa e al Giappone, con il contributo dell’India.

Un’impresa internazionale che proietta l’Italia direttamente nel cuore del futuro reattore a fusione.

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Il Progetto PRIMA

In primo piano le strutture, in corso di realizzazione a Padova, che ospiteranno il nuovo impianto per lo sviluppo e la pro-va del sistema di iniezione di neutri per il riscaldamento del plasma di ITER, il fu-turo reattore a fusione termonucleare.Il cuore dell’esperimento è costituito da un acceleratore di particelle in grado di tra- sformare l’idrogeno (o una sostanza molto simile, chiamata deuterio) in un fascio di particelle neutre con altissima velocità e, di conseguenza, elevata energia.Il fascio sarà iniettato nel reattore e andrà a collidere con il combustibile contenuto al suo interno riscaldandolo fino alle tem-perature richieste per innescare i processi di fusione (100 milioni di gradi), come una sorta di grande “accendino” senza il quale difficilmente la reazione potrebbe avve-nire e rimanere accesa.

il sistema di iniezione di neutri funziona un pò come il getto di vapore della macchina del caffè del bar, quando riscalda il cappuccino. Il fascio penetra nel plasma e le par-ticelle neutre iniziano a collidere con le particelle che incontrano avviando collisioni

e innalzando in tal modo la temperatura per effetto cinetico.

Cos’è il sistema NBI ?

Il Consorzio RFX ha avviato i primi studi sul sistema di iniezione di neutri nel 2003, in parallelo all’attività sperimentale sulla macchina RFX-mod.

La ricerca si è sviluppata negli anni portando a un team di circa 60-80 ricercatori impegnati nel-la progettazione dei componenti dell’impianto NBTF.

Le competenze presenti in laboratoio consen-tono, oltre a fornire le infrastrutture di ricerca, di ospitare, realizzare e mettere in funzione l’iniettore, con la collaborazione dei laboratori europei di Culham (UK), di Garching (Germa-nia), di Cadarache (Francia), di Naka (Giappone) e di Bhat (India).

Il Consorzio RFX avrà la responsabilità scientifica dell’esperimento.

In ITER il plasma di deuterio e trizio, confinato da intensi campi magnetici, verrà riscaldato da sistemi a radiofrequen-za e da fasci di atomi neutri raggiungendo così le condizioni ottimali per ottenere i processi da fusione. Il progetto ITER prevede che la potenza da fusione prodotta superi quella immessa nel sistema dall’esterno di un fattore 10.

Il riscaldamento mediante fasci di neutri sarà realizzato tramite 3 iniettori che dovranno fornire al plasma comples-sivamente fino a 50 MW di potenza.

Ciascun iniettore è composto da una sorgente di ioni nega-tivi (deuterio), un acceleratore elettrostatico, un neutralizza-tore, un separatore di ioni residui e infine un calorimetro.

L’acceleratore dovrà lavorare a 1 MV di tensione con una corrente alle griglie fino a 40 A (16 A di fascio) con impulsi di durata fino a un’ora.

Per sviluppare e provare gli iniettori da installare su ITER, è in corso di realizzazione a Padova un laboratorio (Neutral Beam Test Facility - NBTF) idoneo a ospitare il prototipo e successivi perfezionamenti (detto MITICA). La costruzione di NBTF è iniziata a settembre 2012.

Complesso dell’impianto ITER.Sulla destra, in grigio, gli alloggiamenti dei sistemi di iniezione di neutri, che saranno realizzati sulla base dei risultati ottenuti sul pro-totipo di Padova

Rendering dell’interno del reattore sperimentale a fusione ITER, in costruzione in Francia. In evidenza, in rosa, la colonna di plasma che scorre all’interno della camera da vuoto. Sulla destra, in grigio, gli iniettori di neutri realizzati su prototipo di Padova.

EDIFICI

L’impegno italianoRealizzare gli edifici e le infrastrutture dell’impianto NBTF

Enti coinvolti: CNR e INFNinvestimento complessivo 24 M€uro

In parallelo alla costruzione di ITER è stata avviata ed è in corso presso il Consorzio RFX la realizzazione del nuovo

laboratorio internazionale per lo sviluppo degli iniettori di neutri, la Neutral Beam Test Facility (NBTF) - Progetto PRI-MA.

Il Progetto PRIMA e’ stato approvato dall’ITER Council di ITER sulla base di un Memorandum of Understanding tra ITER e Fusion for Energy (l’Agenzia Euro-pea di ITER) e dell’NBTF Agreement tra Fusion for Energy e il Consorzio RFX.

Nel quadro di questi accordi internazionali, l’Italia si è impegnata a realizzare gli edifici e le infrastrutture di base del nuovo laboratorio, a fronte dell’impegno dell’Europa e di ITER di fornire le apparecchiature e gli impianti speciali.

Il MIUR ha affidato la realizzazione degli edifici e delle in-frastrutture a CNR e INFN.

Gli Enti hanno a loro volta assegnato al Consorzio il compito di realizzare gli edifici della Test Facility per il sistema NBI (NBTF) presso l’Area della Ricerca del CNR di Padova.

Sempre al Consorzio RFX è stato affidata da ITER la proget-tazione di tutti i componenti e le apparecchiature scienti-fiche.

Nella foto, una vista dell’edificio

che ospiterà le sale controllo di

MITICA e SPIDER

L’impegno italiano riguarda la fornitura di:

edifici, completi di impianti ausiliari, impianti speciali, quali sistemi rivelazione e spegnimenti incendionei locali CED e trasformatorirete di media tensione di esperimento

Edifici: Il complesso degli edifici di PRIMA si estende su una su-perficie complessiva di circa 15.500m2 di cui 7400 m2 sono coperti, ed un volume di 150.000m3.

Essi includono 5 capannoni principali più un insieme di infrastrutture necessarie al contenimento di:

- alcuni impianti ausiliari quali: la rete di alimentazione convenzionale di media e bassa tensione, il trattamento aria edifici, sicurezze, etc.,

- gli impianti speciali quali sistemi rivelazione e spegni-menti incendio nei locali CED e trasformatori

- la rete di media tensione di esperimento

In alto, la facciata Nord dell’edificio principale (edificio 1), delle sale controllo e alimentazioni elettriche, che ospiteranno i due esperimenti: SPIDER e MITICA. Ulterio-ri edifici ospiteranno le alimentazioni elettriche dedicate e gli altri impianti ausiliari.

La foto, a destra, mostra l’interno dell’edificio 1. In primo piano, la schermatura biologica (in costruzione), in cal-cestruzzo, che conterrà MITICA. Sullo sfondo, la scher-matura di SPIDER, già completata.

Le schermature hanno la fun- zione di proteggere dalle radiazioni e dai neutroni prodotti dagli acceleratori. Grazie a queste schermature l’area assemblaggio circostante sarà com-pletamente accessibile, senza alcuna restrizione, anche durante gli esperimenti.

L’immagine in basso a destra mostra l’interno dell’edificio n.2, destinato ad ospitare l’impianto di raffreddamento dei due esperimenti. La sala, misura circa 80 m di lunghez-za, per 20 m di larghezza e presenta un esteso scantinato per alloggiare le condotte dei fluidi refrigeranti.

Sulla base delle assegnazioni da INFN e CNR dei fondi erogati dal MIUR, il Consorzio RFX ha progettato e appaltato gli edifici. I lavori, iniziati il 7 settembre 2012, sono in via di completamento, con alcune sale sperimentali già ultimate.

E’ pronto per essere avviato l’appalto per la realizzazione dell’infrastruttura di collegamento elettrico tra sottostazione in altissima tensione 400/21 kV e la Facility. Rimangono da effettuare a carico del Consorzio alcune opere di completa-mento (schermature biologiche mobili e relativi impianti ausiliari, impianto antincendio esterno, limitate integrazioni).

INFRASTRUTTURE

Due esperimenti indipendenti:

MITICA prototipo in scala uno a uno degli iniettori di particelle neutre di ITER

SPIDER prototipo della sorgente di ioni negativi degli acceleratori di ITER

Investimenti a carico di F4E e altre Domestic Agencies (DAs) per SPIDER & MITICA: 200 Milioni di Euro

Ad oggi Fusion for Energy ha bandito gare europee per la realizzazione di impianti destinati a NBTF per un importo complessivo di 43 Milioni di Euro.

Le commesse assegnate a ditte italiane ammontano a 32 Milioni di Euro, pari al 75% di quanto assegnato finora.

Nel periodo 2012-2019, l’Europa contribuisce per consumi e spese di funzionamento della facility (al 100%), costi di personale del Consorzio RFX (al 40%) per un importo complessivo di 38 Milioni di Euro.

Il Consorzio RFX fornisce il team di progetto ( 60-80 persone FTE all’anno) per le attività di progettazione, supporto tecnico-scientifico alla gestione dei contratti, alle attività di integrazione in sito che inclusono: installazione, commissioning e test integrati degli esperimenti secondo quanto previsto dall’NBTF Agreement. Il team condurrà poi le attività R&D neces-sarie per il raggiungimento delle elevate prestazioni previste in ITER.

SPIDER & MITICAL’impegno dei partner: Europa - Giappone - India

Realizzare i componenti e le apparecchiature scientificheInvestimento: 200 MEuro

Edificio 1Spaccato dell’edificio principale che ospiterà i due esperimenti: SPIDER, la sorgente di ioni (sulla sinistra) e MITICA l’iniettore

(sulla destra). In evidenza sulla in alto, a sinistra, la linea di trasmissione ad alta tensione (1 MV)

SPIDERla sorgente di ioni

La sorgente in scala 1:1 servirà a sviluppare la tecnologia per la produzione di ioni negativi

I componenti di SPIDER sono forniti da Europa e India, come risulta dalla raffigurazione 3D riportata in figura. Sulla destra la camera da vuoto che racchiude la sorgente SPIDER; in centro la sala alimentazioni dell’esperimento; e sulla sinistra le alimenazioni delle griglie che consentono di accelerare gli ioni.

Tutti gli impianti e i componenti realizzati dall’Europa sono stati appaltati e le prime installazioni sono già in corso.

Il montaggio av- viene nelle sale speri-mentali realizzate dal Consorzio RFX.

Alcuni componenti forniti dall’India sono già stati consegnati a Padova.

SPIDER

The SPIDER Beam Source

GG EG PG BP

1280(16x5x16) beamlets4 grid segments

ED

BP = Bias Plate PG = Plasma Grid EG = Extraction Grid GG = Grounded Grid ED = Electron Dump

PlasmaSource

SupportFrame

8

A sinistra lo spaccato della camera da vuoto di SPIDER. Sulla destra, la sorgente di ioni, al centro

in giallo il fascio di ioni che colpiscono il calorimet-ro, la cui funzione è quella di assorbire l’energia

del fascio e di monitorare il corretto funzionamento della sorgente tramite sistemi di misura di tempera-tura ..la figura in alto mostra in dettaglio i compo-

nenti della sorgente

Edificio 1Il portone principale della

schermatura di SPIDER viene sollevato per

essere posizionato nella sua sede finale. Dato il peso eccezi-onale di 120 tonnellate, la sua

movimentazione ha richiesto l’iutilizzo in parallelo di due gru e personale qualificato in grado di posizionare il portone al mil-

limetro. La struttura in calcestruzzo che

ospiterà SPIDER servirà a schermare i neutroni e le radiazioni prodotti durante la

sperimentazione e consentirà l’accesso, in tutta

sicurezza, all’edificio principale durante l’attività di ricerca.

In alto a destra vista sulla camera da vuoto di SPIDER

durante il test di accettazione svolti in fabbrica presso la Ditta

Zanon di Schio (VI).

La camera da vuoto a forma cilindrica ha un diametro di

circa 4m ed una lunghezza di 6m. L’installazione in sito è prevista

in febbraio 2015.

In basso a destra il calorimetro, fornito da INDA, durante il test di accettazione presso la PVA (D). Il

calorimetro è stato consegnato al Consorzio RFX il

22 Dicembre 2014 e verrà installato nella camera da vuoto

a metà del 2015.

In arrivo i primi componenti di SPIDER

Fasi di calibrazione della radiazione emessa dagli avvolgimenti in tungsteno

riscaldati elettricamente

Particolari della cabina schermata ed isolata da terra per 100kV, che ospiterà i sistemi elettrici di alimentazione della sorgente di

SPIDER. La cabina schermata è costituita da un locale metallico completamente chiuso di circa 12 x 8 m2 montato su supporti isolanti.

L’installazione dell’HVD è iniziata il 26 Gennaio 2015.

MITICA l’iniettore

In Iter verranno installati due sistemi realizzati sulla base dei risultati otttenuti su NBTF.

In parallelo a ITER, continuerà la sperimentazione su MITICA e SPIDER.iluppare il sistema in vista del futuro reattore a fusione

Posizione di MITICA in ITER

100 metri

l’iniettore prototipo in scala reale completo di tutti gli impianti ausiliari dove verranno effettuate le attività di

R&D per la messa a punto degli iniettori di ITER

La progettazione dei componenti di MITICA è conclusa e le realizzazioni avviate. Alla realizzazione e fornitura degli impianti di MITICA con-tribuisce in modo significativo, oltre all’Europa, il Giap-pone.

A sinistra: l’iniettore di MITICA Collegato al sistema di alimentazione tramite la linea di

trasmissione a 1MVIn centro: il sistema di

alimentazione della sorgente ionica.A destra: il sistema di

alimentazione dell’acceleratore.

L’iniettore è composto da una sorgente di ioni, un neutralizzatore,RID e calorimetro

A fine anno 2015 inizieranno le installazioni dei componenti in altissima tensione (1MV) di fornitura giapponese.

La previsione è di dare avvio alla sperimentazione in MITICA nel corso del 2018.

Parametri richiesti dal Progetto ITER

combustibile: idrogeno e deuteriofascio di deuterio da 16 MWenergia delle particelle a 1MeVimpulsi fino a 3600s

100 metri

Le attività di realizzazione di MITICA includono grandi opere di contenimento dell’esperimento, affidate al Consorzio RFX. Si tratta complesivamente di 10.000 tonnellate di calcestruzzo distribuite su un’altezza di 19 metri, 15 di lar-

ghezza e 30 di lunghezza.

Le apparecchiature affidate all’Europa sono state progettate dal Consorzio RFX. La redazione delle specifiche di gara è stata completata e sono in corso da parte di Fusion for Energy i procedimenti per l’assegnazione degli appalti.

L’impianto si completa con il sistema di alimentazione ad altissima tensione (1MV) di fornitura giapponese.

Modello 3D dell’impianto da vuoto di SPIDER e MITICA

Fornitura Agenzia Lancio gara

Vessel F4E (Europa) Già assegnataSorgente F4E (Europa) Q4 2014‘‘Beam Line Components’’ F4E (Europa) Q1 2015Pompe criogeniche F4E (Europa) Q2 2015

Linea di trasmissione JADA (Giappone) Già assegnata (Hitachi)

HVD1 & Passante aria/gas F4E (Europa) In aggiudicazione

Passante vuoto/gas (HV Bushing) JADA (Giappone) Già assegnata (Hitachi Haramachi, Kyocera)

Alimentatori sorgente F4E (Europa) OCEM 2° lotto

Trasformatore isolamento a 1MV JADA (Giappone) Già assegnata (Hitachi)

Alimentatore acceleratore (AGPS-DCG) JADA (Giappone) Già assegnata (Hitachi)

Alimentatore acceleratore (AGPS-CS) F4E (Europa) Q3 2014

Impianto criogenico F4E (Europa) Q2 2014

Impianto gas SF6 isolamento F4E (Europa) Q3 2015

Da realizzare

Impianti di collegamento tra la sottostazione in altissima tensione a 400 kV esistente e già utilizzata per alimentare l’esperimento RFX, e gli impianti sperimentali MITICA & SPI-DER.Si tratta di collegamenti in cavo in media ten-sione con relativi quadri di distribuzione.

Schermature mobili di MITICA, rimovibili in quanto sarà necessario accedere all’iniettore per attività di manutenzione.

Sistemi antincendio esterni destinati a proteg-gere i trasformatori in altissima teensione for-niti dalla Domestic Agency Giapponese.L’installazione potrà essere avviata solo a valle del completamento della fornitura giap-ponese.

Un’ impresa internazionale cui partecipano Europa, Giappone e India con la realizzazione dei componenti scientifici e impianti di ricerca. L’Italia è impegnata nella realizzazione degli edifici e infrastrutture e nella progettazione dì tutte le apparecchiature realizzate dagli altri partner.Enti italiani coinvolti: CNR e INFN che hanno affidato al Consorzio RFX lo sviluppo delle attività a Padova, presso l’Area della Ricerca del CNR.

L’ing. Vanni Toigo(sulla destra),

Project Manager delProgetto PRIMA

illustra a ungiornalista (sulla

sinistra) i componenti

dell’impianto.Al centro, l’ing.Edoaro Ocello,

Direttore dei Lavori

Sviluppo delle attività Novembre 2006 Firma dell’ITER Agreement che stabilisce la realizzazione di NBTF Dicembre 2011 Firma degli accordi internazionali per la realizzazione NBTF a Padova Settembre 2012 Avvio della costruzione edifici Giugno 2013 Inizio montaggi prefabbricati Novembre 2014 Consegna dei primi edifici Dicembre 2014 Avvio delle installazioni Aprile 2015 Completamento degli edifici Inizio 2016 Avvio sperimentazione di SPIDER 2018 Avvio sperimentazione di MITICA

La complessa struttura organizzativa per le fasi di

progettazione, costruzione e operazione dell’impianto è stata definita negli accordi

internazionali.

Per informazioni: www.igi.cnr.it - www.sevuoisapere.it