Il programma Ignitor - ENEA · IL PROGRAMMA IGNITOR 6 Principali caratteristiche della macchina •...

Il programma Ignitor

Paolo Detragiache

ENEA-TorinoUnita FUS-MAG

Casaccia, 18 Settembre 2003

IL PROGRAMMA IGNITOR 1

Sommario

• Motivazioni

• Missione

• Principali caratteristiche della macchina

• Caratteristiche dei regimi di plasma (ignizione ohmica)

• Sviluppo del progetto

• Organizzazione e collaborazioni

• Conclusioni


Motivazioni

• Negli ultimi 30 anni, l’utilizzo di diversi apparati sperimentali ed un elevatogrado di collaborazione a livello internazionale ⇒ significativi miglioramentinelle prestazioni (temperature, tempi di confinamento dell’energia edensita) dei plasmi di laboratorio;

• ciononostante, le conoscenze rimangono ancora incomplete (oltre aiproblemi della fisica, rimangono da risolvere sostanziali problemi ditecnologia per arrivare ad un reattore a fusione);

• in particolare, mancano conoscenze sperimentali su un aspetto cruciale: ilcomportamento del plasma in condizioni di bruciamento (quando cioe laprincipale fonte di riscaldamento e interna e costituita dall’energia cineticadei prodotti carichi delle reazioni di fusione);


• l’utilizzo della tecnologia degli alti campi magnetici in rame in macchinecompatte di tipo tokamak permette la progettazione di esperimenti per lostudio del plasma in condizioni di bruciamento a basso costo;

• Ignitor, proposto dal Prof. B. Coppi del MIT, e il capostipite per questo tipodi esperimenti; e inoltre quello che ha raggiunto una maggiore maturitaprogettuale, permettendo cosı un tempo di realizzazione rapido ⇒continuita con gli esperimenti attuali;

• sarebbe auspicabile poter disporre di un certo numero di esperimenti ingrado di investigare la fisica del plasma in condizioni di bruciamento,prolungando il modus operandi fin qui utilizzato con successo;

• Ignitor risulta pienamente compatibile con una strategia di questo tipo;


MissioneRaggiungere le condizioni di ignizione (Pα = Ploss) delle reazioni di fusionenucleare D + T → α + n in un plasma confinato magneticamente per untempo sufficientemente lungo rispetto ai principali tempi caratteristici delplasma.

Utilizzare una macchina tokamak compatta e ad alto campo per ottenere:

grandi correnti di plasma⇓

grande input di potenza ohmica & alta densita di plasma

⇓

plasmi con basso livello di contaminazione ( Zeff ≈ 1)

τE modesti risultano sufficienti per l’ignizione

ignizione a basse temperature

regime di bordo radiativo


Principali caratteristiche della macchina

• macchina di tipo tokamak compatta (R0 = 1.32 m, a = 0.47 m) ad altocampo magnetico (B0 = 13 T) e sezione a D (κ ' 1.83, δ ' 0.4), in grado diprodurre grandi correnti di plasma (Ip = 11 MA); naturale evoluzione dellemacchine Alcator del MIT e FT-FTU di Frascati;

• la principale fonte di riscaldamento del plasma e data dal riscaldamentoohmico, ma e prevista la presenza di un sistema di riscaldamento aradio-frequenza ICRF (100÷ 140 MHz), con potenze PICRF = 5→ 20 MW;

• disponibilita di un iniettore di pellets di combustibile solido con velocita ≈ 4km/s e importante per ottenere profili di densita a picco;

• la prima parete e composta da tegole in molibdeno che ricopronocompletamente l’interno della camera a vuoto - agisce da limiter toroidaleesteso;

• la durata piatta-banda corrente e: τflat−top ' 4 s > tempi-scala intrinsecidella fisica del plasma;


Caratteristiche dei regimi di plasma (ignizione ohmica)

Simulazioni con codice di traspor-to JETTO (risultati simili con i codiciBALDUR e TSC)

I due parametri fondamentaliper l’operazione di un tokamak,ne/nGr(= 0.4) (limite di densita)e βN(= 0.67) (limite di β), hannovalori bassi.

La potenza da fusione e Pfus ≈ 100MW.

Quantita Valore

ne(0) 9.5 × 1020 m−3

Te(0) 11.5 keVTi(0) 10.5 keVZeff 1.2Wp 11.9 MJPOH 11.2 MWPB 3.9 MWPα 19.2 MWτE 0.6 sβ 1.2%βp 0.20


Sviluppo del progettometa anni ’70

prima proposta macchinaIgnitor (B. Coppi), in segui-to agli eccellenti risultati diAlcator-A - valori record delparametro nτ

(B. Coppi, Comm. PlasmaPhysics Cont. Fusion, 3, 2(1977))

anni ’80

• notevole avanzamentonella progettazione del-la macchina (e signifi-cativi cambiamenti neisuoi parametri,in parti-colare, Ip = 4.0 →10÷ 12 MA)

• ENEA e consorzioindustriale formatoda Ansaldo-Fiat (conASEA-Brown Bovericome principale subfor-nitore) diventano attoriimportanti

(Ignitor (project feasibilitystudy), 1988)

anni ’90

• prosieguo attivita diprogettazione (para-metri della macchinavengono congelati aivalori attuali)

• costruzione prototipicomponenti principalidel nocciolo (bobinamagnete toroidale, bo-bina magnete poloidale,settore camera a vuota,un C-clamp)

• progettazione sistemiausiliari (in particolare,sistema ICRF)

• calcoli di attivazione

(Ignitor Experiment, ENEA-MIT, 1997 )


Sviluppi recenti:

• individuato il sito Terna-ENEL di Rondissone (TO) ( ≈ 30 km da Torino evicino al centro ENEA di Saluggia) come sito di riferimento confondamentali vantaggi per la fornitura di potenza elettrica (diventa possibileeffettuare una realistica valutazione dei costi complessivi dell’impianto, percompletare quella dei costi del nocciolo, gia ora abbastanza ben definiti);

• significativa revisione dell’ impianto di alimentazioni elettriche;

• progettazione dell’impianto criogenico per il raffreddamento della macchinaa 30 o K con elio gassoso;

• avviata una collaborazione ENEA-Oak Ridge per sviluppo iniettore dipellets;

• utilizzo dei sistemi di visualizzazione 3D immersiva per la progettazione emanutenzione della macchina;

• presentazione del progetto al 2002 Fusion Summer Study tenutosi aSnowmass (CO), 8-19 luglio 2002;


Organizzazione e collaborazioni

Organizzazione

Principal Investigator : Prof. B. Coppi (MIT)

Responsabile progetto ENEA: Ing. G. Valli

Attivita di R&D sono coordinate o svol-te direttamente dal Dipartimento Fusione diFrascati

Attualmente il principale partner industrialee l’ Ansaldo Ricerche

Principali collaborazioni

MIT Politecnico di Torino (sistema ICRF, in-terazione plasma-parete, analisi di sicurez-za)

CNR di Milano (simulazioni di trasporto)

Oak Ridge

PPPL


Conclusioni

Ignitor:

• costituisce la naturale evoluzione del programma italiano sulla fusione aconfinamento magnetico

• si trova in un avanzato stato di progettazione: la costruzione del nocciolodella macchina puo partire (i sistemi ausiliari sono invece meno sviluppati)⇒ strada piu veloce per acquisire fondamentali conoscenze sperimentalisui plasmi in condizione di bruciamento

• ha costi limitati: la realizzazione puo avvenire nell’ ambito di un programmanazionale (ma collaborazioni internazionali sono naturalmente auspicabili)⇒ compatibile con la tradizione e i programmi attuali della fusione

• costitusce un’ opportunita per soddisfare quella brama di bruciare (yearn toburn) lungamente manifestata dal programma internazionale sulla fusione

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