L’ENEA, in collaborazione con alcuni enti di ricerca europei, ha sviluppato un innovativo sistema laser che ha consentito, per la prima volta al mondo, di studiare in situ, dopo una campagna sperimentale, la composizione chimica delle pareti interne del Joint European Torus (JET), uno dei più grandi reattori sperimentali a fusione nucleare mai costruiti. L’attività è stata finanziata dal Consorzio EUROFUSION e ha coinvolto, oltre all’ENEA come uno dei partner principali, prestigiose istituzioni, tra cui: gli enti di ricerca di Germania e Finlandia Forschungszentrum Jülich e VTT Technical Research, l’Autorità per l’energia atomica del Regno Unito (UKAEA), l’Istituto polacco di fisica del plasma e microfusione laser di Varsavia (IPPLM), nonché alcune università europee come l’Università Comenius di Bratislava (Slovacchia), l’Università di Tartu (Estonia) e l’Istituto di fisica dello stato solido dell’Università della Lettonia.
Nello specifico, il team di ricerca ha dimostrato la fattibilità della tecnica LIBS (Laser-Induced-Breakdown Spectroscopy) per il monitoraggio remoto e in tempo reale dei componenti esposti al plasma, senza rimuoverli o manipolarli per le analisi. La tecnica adottata consente un’analisi qualitativa e quantitativa delle pareti interne del reattore, rilevando anche la presenza di Idrogeno e dei suoi isotopi, deuterio e trizio, il combustibile del reattore.
I dettagli
Compatto, leggero e versatile, il sistema realizzato dall’ENEA e dai partner europei è stato posizionato all’interno della camera a vuoto del JET, dove ha eseguito analisi in centinaia di punti, dimostrando che la tecnica può essere utilizzata su qualsiasi tipo di campione della prima parete dei reattori e che è in grado di conservarli sostanzialmente integri per analisi successive. Installato sul braccio robotico telecomandato del JET, il sistema LIBS colpisce il campione bersaglio, generando una piccola esplosione che ne vaporizza una porzione microscopica. Gli atomi del bersaglio, così vaporizzati, emettono una luce che, analizzata da un sistema spettrometrico, ne determina la composizione chimica.
“Nei futuri dispositivi di fusione nucleare come ITER e DEMO, di cui JET è stato il precursore più rappresentativo, il plasma può causare erosione in alcune parti della superficie della parete interna del reattore, il materiale eroso può essere trasportato lontano dalla zona di origine e depositato in altre zone della parete”, spiega Salvatore Almaviva, ricercatore presso il Dipartimento Nucleare dell’ENEA del centro ricerche di Frascati, coinvolto nello studio. “Gli esperimenti indicano che il materiale depositato sulle superfici è composto da residui dei materiali strutturali delle pareti della camera e del combustibile del reattore stesso, ovvero deuterio e trizio: quest’ultimo, in particolare, deve essere attentamente monitorato per ridurre i rischi nelle operazioni e minimizzare la quantità di combustibile immobilizzato nelle strutture del reattore. La tecnica che si è dimostrata efficace su JET potrebbe giocare un ruolo importante anche per futuri reattori in costruzione o in fase di progettazione come ITER, DTT e DEMO”, conclude Almaviva.
Finora questo tipo di monitoraggio veniva effettuato tramite analisi di laboratorio al termine delle campagne sperimentali, ma nei reattori di prossima generazione sarà fondamentale il monitoraggio in situ, condotto senza rimuovere gli elementi della parete interna, in modo da non compromettere il funzionamento del reattore evitandone lo spegnimento per lunghi periodi. Oltre allo sviluppo e all’impiego del sistema LIBS, l’ENEA sta svolgendo un ruolo di primo piano anche nell’elaborazione dei risultati sperimentali che, da un’analisi preliminare, evidenziano una bassa contaminazione dei componenti interni del JET con trizio, ma mettono in evidenza in modo evidente i fenomeni di erosione e rideposizione dei materiali delle pareti interne sopra descritti.
L’ENEA è all’avanguardia in questo settore anche per la pluriennale esperienza pionieristica nello sviluppo di sistemi LIBS per dispositivi a fusione: il primo prototipo operativo di questo tipo è stato infatti sviluppato e testato per la prima volta in assoluto sul reattore sperimentale FTU (Frascati Tokamak Upgrade) operativo fino a pochi anni fa presso il centro ricerche ENEA di Frascati.