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LA FUSIONE: LO SVILUPPO E LA COMPETITIVITÀ INDUSTRIALE ITALIANI PER L’ENERGIA DI DOMANI A l d o P i z z u t o, E N E A - D i re t t o re D i p a r t i m e n t o F u s i o n e e Te c n o l o g i e p e r

L a S i c u re z za N u c l e a re

To r i no 3 n ov e mbre 2 0 1 6

2

all’origine dell’Universo

che alimenta il sole e tutte le altre stelle

sicura, inesauribile e sostenibile per l’ambiente

La Fusione è la reazione:

LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE 03/11/2016

03/11/2016

I Gas Serra continuano a crescere

ppm CO2

3 LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE

L’energia da fusione può avere un ruolo fondamentale

Projected Share of Renewables on Total Power Generation

Source: BP Energy Outlook 2035 (2016)

4 03/11/2016

La Fusione Sorgente ideale di Energia

I consumi elettrici costituiscono

almeno il 50% della domanda di

energia

Le Rinnovabii sono intrinsecamente

limitate da:

– Possibilità di regolare la potenza a seconda del fabbisogno (storage)

– Prossimità dove l’energia è richiesta (trasporto)

– Economicità legata a sovvenzioni

Imperativo utilizzare fonti

alternative e sostenibili ‘carbon free’

La Fusione può essere la risposta

Combustibile abbondante (mare,

crosta terrestre)

Zero emissioni, cenere Elio.

LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE

La Fusione: grande sfida scientifica, tecnologica, industriale

Schema Confinamento Magnetico

5

(T≈1020keV; 1keV≈107K)


LA FUSIONE: una storia di successo

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Experimental Physics

L’inizio del programma: una grande intuizione

Grazie all’intuizione e lungimiranza del Prof. D. Palumbo nasce il programma fusione Euratom che rimpegnerà tutti I

Paesi dell’Unione europea e la Svizzera

L’Italia ne è subito parte con l’ENEA e successivamente con CNR , Consorzio RFX, Consorzio CREATE e le più pretigiose Università

La realizzazione di esperienti come JET, FT e FTU, Asdex, Tore Supra, W-7X e il programma tecnologico di ITER , una grande opporotunità per l’industria: sviluppare know-how sulla fusione. Oggi oltre 500 industrie tra cui molte PMI seguono con interesse questo settore

Dai primi studi sui Plasmi alle conoscenze integrate che fanno della fusione una concreta opzione per una fonte di energia sicura inesauribile e rispettosa dell’ambiente

La fusione ha attratto risorse tra le migliori. La collaborazione tra ricerca-indutria-università per la formazione e il training ne ha sancito l’eccellenza. Oggi oltre oltre 2000 in Europa gli scienziati e I tecnici imegnati nel programma.

Prof. Donato Palumbo

Progressi scientifici JET

ITER

Opportunità per le imprese

una comunità scientifica di eccellenza


La Fusione: il programma che integra capacità e promuove il coordinamento tra Ricerca Industria Formazione

7

Tecnologia Ingegneria Ricerca di Fisica

Cooperazione con l’ Industria

1 2 3

Conoscenza Know how integrazione

Trasferimento di Know How Programmi congiunti di R&S Innovazione del prodotto

4

Il sistema fusione

INTEGRAZIONE: DAL CONCETTO AL PRODOTTO ATTRAVERSO R&S E DIMOSTRATORI

Formazione & Training

PhD, Master, Tesi Programmi congiunti di R&S con Università

5

INTE

GR

AZI

ON

E T

RA

GLI

STA

KEH

OLD

ERS

Grazie a questa collaborazione l’industria italian ha acquisito contratti per 1000 M€


http://www.google.it/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRw&url=http://www.sbplastics.it/formazione.asp&ei=zA1IVKa_CMnuPOLFgJgP&bvm=bv.77880786,d.d2s&psig=AFQjCNEJ8IGAy5Zk1CSUYMxZ-ygL0hNVKg&ust=1414094619675591

ITER JET (DT) JET JT-60U JT-60SA Tore Supra AUG EAST KSTAR D III-D FTU C-Mod TEXTOR HL-2a TCV SST-1 HT-7 NSTX COMPASS

MAST FAST ST CTF

n t

Ti [

10

20 K

eV m

-3 s

]

Temperature [KeV] at Ti ~Te

Gli esperimenti attuali e quelli previsti

LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE 8

DTT

DTT

03/11/2016

La Road Map: from Horizon 2020 to DEMO

CDA +EDA

Inductive

Baseline

Low capital cost and long term technologies

Construction Operation

Stellarator optimization

CFETR (CN)

FNS (US)

European MST + IC

1. Plasma Operation

2. Heat exhaust

3. Materials

4. Tritium Breeding

5. Safety

6. DEMO

7. Competitive Cost

8. Stellarator

Burning Plasma Stellarator

2010 2020 2030 2040 2050

DEMO decision Fusion electricity

ITER Test blanket

programme Parallel Blanket Concepts

European MST +linear plasma + DTT + IC

Advanced configuration and

materials

Steady state

10

DTT


ITER: un’impresa senza precedenti, in Europa grazie al programma fusione

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ITER, PIETRA MILIARE NEL CAMMINO VERSO L’ENERGIA DA FUSIONE:

impegna 7 tra i paesi più industrializzati: UE, Cina, Corea, Giappone, India, Russia, Stati Uniti

Dimostrerà:

un guadagno di un fattore 10 dell’energia immessa

molte delle tecnologie necessarie per il reattore

la sicurezza di questa fonte di energia

Ma soprattutto ITER dovrà dimostrare la capacità di gestire la costruzione e le operazioni di un sistema tra i più complessi mai realizzati


IL Broader Approach e il programma di accompagnamento

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Il Broader Approach, un accordo di collaborazione UE-Giappone:

JT60-SA, dalla capacità dell’industria europea un contributo determinante.

IFMIF, anche la tecnologia non fusionistica al servizio dello sviluppo dei materiali (contributo INFN e altri lab europei non fusionistici)

La Neutral Beam test Facility ‘PRIMA’ a Padova, un banco di prova per un componente fondamentale

Il Consorzio europeo che deve attuare la Road Map Euratom di Horizon 2020: l’impegno di 29 Paesi in supporto a ITER e per rendere possibile DEMO


Le sfide verso il reattore

TFC

V V

Plasma

Pth=Paux+

Pα(20%Pfus)

Radiation

0.6-0.7 PTh

Neutron

0.8 Pfus

Blanket gain

0.15-0.3 Pfus

FW Paux

RadioFrequenza

Iniettori di neutri

Divertor 0.15-0.20 Pfus

LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE 13 03/11/2016

Carichi termici conduttivi di 20 MW/m2

plasma

Carichi termici sul divertore

Carichi termici di molte decine di MW/m2 : Pheat=Pfus(1/5+1/Q) qdiv=(Pheat-Prad)/(4πR0λF) F=10 (caso ottimistico) λ = 0.003R0

0.5


Principali condizioni operative

ITER DEMO Reactor

Fusion Power 0.5 GW 2-2.5 GW 3-4 GW

Heat Flux (First Wall) 0.1-0.3 MW/m2 0.5 MW/m2 0.5 MW/m2

Neutron Wall Load (First Wall) 0.78 MW/m2 < 2 MW/m2 ~2 MW/m2

Integrated wall load (First Wall)

0.07 MW/m2

(3 yrs inductive

operation)

5-8

MW.year/m2

10-15

MW.year/m2

Displacement per atom <3 dpa 50-80 dpa 100-150 dpa

Transmutation product rates

(First Wall)

~10 appm He/dpa

~45 appm H/dpa

~10 appm He/dpa

~45 appm H/dpa


Progressi nello sviluppo dei materiali metallici

16 03/11/2016

W Mechanical properties


Plasma

Radiation

Neutrons

Coolant for energy

conversion

First Wall

Shield Blanket Vacuum vessel

Magnets

Tritium breeding zone

Tokamak Radial build


Il Breeder Blanket

19 03/11/2016

Metalli Liquidi e Termo-fluido-dinamica

• Corrosione Acciai in Pb-17Li • Sviluppo barriere anti permeazione • Controllo impurezze circuiti Pb-17Li • Sequenze incidentali • Loop prova componenti

• Pb-17Li • Li • Elio

Pb-Li

Corroded

layer

50 m

Forti sinergie con Gen IV

Test mock up TBM solido


Data Base Neutronico

Validazione dati per i Data Base EFF/EAF Qualifica componenti funzionali (elettronica, fibre ottiche, etc.)

Misure: n/g flusso & spettro, attivazione,

Calore di decadimento

Analisi Sensibilità/Incertezza basata su

approccio probabilistico (Monte Carlo) e

deterministico

FNG – Frascati Neutron Generator

W mock up


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Scenario di riferimento per un reattore a fusione Necessità di riprodurre lo spettro a

livello della prima parete

Not just dpa but “proper” DT spectrum

DEMO “first wall” and D-T beam plasma

Fission reactor (PWR)

FAFNIR

IFMIF Spallation

source

SORGENTINA (DT – source)

03/11/2016 LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE

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High flux volume 0.5 l Intermediate flux volume 1-2 l

Low flux volume:

several liters

Sorgente di Neutroni ‘Sorgentina’

Additional Experimental zone

Several experiments can be run in parallel

Schema Camera di irraggiamento

Shield


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Sorgentina Lay-out


R&D con industria per ITER

I Magneti

Ansaldo Nucleare – SIMIC ENEA Ansaldo Nucleare – SIMIC ENEA

Componenti affacciati al plasma

ENEA ASG

Anelli Precompressione


ICAS: ENEA - TRATOS Cavi- CRIOTEC

Sez. Cavo Superconduttore

Linea cablatura

Spool cavo

Conduttore con Jacket


Interazione Plasma Parete

ENEA, Ansaldo Nucleare, SIMIC


ITER Full scale prototype: ENEA, Ansaldo Nucleare,

03/11/2016

Manutenzione Remota e Sistemi visione/Metrologia

DRP Platform

ITER First Wall accuracy < 0,5 mm

Step : - 1mm

Step : - 2mm

Step : - 3mm

Radar Ottico (laser)


Ciclo del combustibile

Reattore a membrana Pd-Ag per la

separazione del Trizio

Reattore per la

produzione di idrogeno d

etanolo/metanolo


15m 5m

PRIMA: Facility Iniettori di Neutri - Consorzio RFX Pd

16.5 MW

9 m

residual ion

dump

Power

Transmission Line

at 1 MV

HV Bushing

SF6

Insulating gas

Ion Source

0.03 Pa – 0.001 Pa

Vacuum

2 NBIs (+1)

Pbeam = 16.5 MW

I = 40 A

V = 1 MV

Tpulse = 3600 s


Bobine di campo toroidale e poloidale di ITER

Panckake bobina toroidale

Prima Bobina toroidal di ITER ASG- Superconductrs


Linea avvoigimento bobine poloidadali SeaAlp

03/11/2016

ITER VV – Mock up of upper poloidal segment of VV Sector

ITER VV – Hot forming of VV stainless steel plates (60 mm thickness)

ITER VV – Assembly for welding trials

AnsaldoNucleare

A Finmeccanica Company

Fornitura dei settori della Camera da Vuoto di ITER


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Flussi finanziari al 31/5/2014

(cifre in milioni di €)

Le cifre della competitività italiana

Nei 2147 milioni, sono inclusi gli edifici


Preparare il futuro per non disperdere un patrimonio di know-how unico

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Concentrare le risorse su imprese ad alto valore aggiunto

Razionalizzazione, collaborazione e concretezza nelle scelte

Le infrastrutture di interesse pan-europeo, come ad esempio la Divertor Test Tokamak facility, strategiche per dare all’industria e alla comunità scientifica la indispensabile continuità.

Cambiare paradigma: spesso fondi usati a pioggia per colmare esigenza particolari senza possibilità di ritorni oppure senza visione strategica Paese.

Infrastrutture di ricerca volano di competitività e sviluppo economico: dimostrato un fattore 4 sugli investimenti che rimangono cmunque alla portata 500 M€ in 7 anni. Necessario supportare al massimo la richiesta dei fondi Junker

Fondi strutturali e Fondi per la Competitività

Divertor Tokamak Test facility


Preparare il futuro per non disperdere un patrimonio di know-how unico

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La DTT puo essere realizzata ricorrendo a risorse finanziarie per lo più già disponibili: 500 milioni di investimenti per la nostra industria La DTT è un progetto immediatamente realizzabile e rappresenta una infrastruttura di livello mondiale che attrae le migliori risorse.

LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE


La DTT puo essere realizzata ricorrendo a risorse finanziarie per lo più già disponibili

03/11/2016

La DTT rappresenta un’opportunità unica per consolidare la ledearship in campo scientifico e industriale del nostro Paese.

Concludendo La Fusione è una storia di successo che ha prodotto know-how, eccellenze, creato

lavoro grazie alla capacità di fare sistema tra Ricerca-Industria-Formazione

La fusione è un settore di eccellenza italiano- riunire tutti gli sforzi per non disperdere questo patrimonio.

Utilizzare fondi per lo più disponibili per realizzare una infrastrutture di ricerca pan-europee di alto valore scientifico e tecnologico significa tenere insieme un sistema virtuoso e dare le risposte che ancora mancano per la meta.

Un cambiamento di paradigma sulle strategie Paese : una infrastruttura italiana in Italia, indispensabile per continuare ad eccellere in un settore altamente competitivo

ENEA insieme ai suoi partner nazionali ed in collaborazione con laboratori europei propone una infrastruutra che contribuirà a non disperdere un patrimonio costruito con tanto impegno ed entusiasmo. E che va a vantaggio del sistema economico del Paese.

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