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Il Progetto NBTF – Neutral Beam Test Facility

L’obiettivo scientifico del progetto NBTF è mettere a punto un sistema per ottenere un fascio di ioni negativi ad alta energia (1MeV) e potenza (16.5 megawatt), con un funzionamento dell’impianto pressochè continuo, che servirà a riscaldare il plasma di ITER.


Sono prestazioni mai fino ad ora raggiunte, da qui la necessità di realizzare un laboratorio dove progettare, costruire e provare un dispositivo così complesso, con:

  • spazi sufficientemente ampi per contenere le grandi apparecchiature 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 team internazionale di ingegneri e fisici esperti, in grado di progettare e operare l’impianto, assistiti da un gruppo di tecnici e amministrativi competenti.

Le attività stanno progredendo velocemente: SPIDER, il prototipo della sorgente di ioni negativi, è funzione dal 2018; MITICA, il prototipo dell’iniettore a 1MV è in avanzata fase di realizzazione.

IL PROGETTO NBTF
è un’impresa internazionale che proietta l’Italia direttamente
NEL CUORE DEL FUTURO REATTORE A FUSIONE

I parametri NBI richiesti da ITER

Per meglio comprendere il progetto, diamo prima uno sguardo ai PARAMETRI RICHIESTI DA ITER, ricordando che Il principale sistema di riscaldamento di ITER sarà formato da due iniettori di neutri (NBI), ciascuno con un’energia di 1 MeV e un fascio di ioni negativi di Deuterio da 40 A, per fornire al plasma una potenza di circa 16.5 MW per un’ora.

I prototipi SPIDER & MITICA per raggiungere i parametri di ITER

I requisiti richiesti non sono mai stati ottenuti sperimentalmente, per cui è stato deciso di produrre due prototipi per testare il sistema nella Neutral Beam Test Facility installata a Padova: SPIDER, la sorgente di ioni negativi più potente al mondo e MITICA il prototipo in scala 1:1 dell’iniettore di ITER, in grado di operare a piena potenza e tensione.

L’iniettore è composto essenzialmente da 5 parti: sorgente di ioni – griglie di accelerazione – neutralizzatore – Residual Ion Dump – calorimetro. Tra queste, la sorgente di ioni rappresenta una dei sistemi più critici. Vediamo in dettaglio le diverse problematiche da affrontare.

Le criticità da superare

Per ottenere immettere 16.5 MW in ITER è necessario creare un fascio di particelle neutre accelerate ad alta energia.
Non avendo carica, i neutri possono infatti passare indenni attraverso i forti campi magnetici che avvolgono il plasma.
Per ottenere particelle neutre accelerate è più conveniente accelerare particelle negative, partendo cioè da ioni negativi, e successivamente neutralizzare il fascio.

Il primo passaggio si produce nella sorgente del fascio, il secondo attraverso il neutralizzatore.

L’estrazione e accelerazione degli ioni negativi avviene nella sorgente del fascio

La sorgente del fascio si compone di una sorgente di ioni negativi e di piastre di estrazione e accelerazione

LA SORGENTE DEL FASCIO



Come è fatta la sorgente del fascio di ITER?

E’ composta da una sorgente di ioni a radio frequenza e da un sistema di estrazione ed accelerazione composto da 7 griglie.

La sorgente di ioni serve per:

  • produrre un plasma a partire da un gas neutri, tramite campi a radiofrequenza
  • estrarre dal plasma di Idrogeno o Deuterio un fascio di ioni negativi da 40 A.
  • l’estrazione avviene attraverso 1280 fori perfettamente calibrati, realizzati in una superficie della sorgente le cui dimensioni sono 2 metri di altezza e 0.7 m di larghezza.
  • gli ioni vengono estratti per mezzo di campi elettrostatici generati applicando circa 10 kilovolt.

La sperimentazione su SPIDER, il prototipo della sorgente di ioni negativi in scala reale “full-size”, consentirà di mettere a punto i processi fisici e chimici in gioco per la sorgente e l’estrazione degli ioni negativi.

L”accelerazione del fascio

Gli ioni estratti dalla sorgente vengono successivamente accelerati per mezzo di un sistema di griglie.
In ITER la tensione di accelerazione è di 1MV e applicata per mezzo di griglie in 5 gradini da 200 kV ciascuno.

In uscita dall’acceleratore, si ottiene così un fascio di ioni negativi di idrogeno (H-) o deuterio (D-) da 40 A e un’energia di 1 MeV.

La sorgente del fascio di particelle neutre misurerà 3 metri di ampiezza x 3 metri di lunghezza x 4.5 metri di altezza, con un peso totale di 15 tonnellate e sarà situata all’interno in ognuno dei due iniettori di particelle neutre che saranno installati in ITER, che contribuiranno al riscaldamento del plasma, ciascuno con 16.5 MW di potenza.

La sperimentazione sulla sorgente del fascio in MITICA, il prototipo l’iniettore di neutri in scala reale, consentirà di mettere a punto gli aspetti legati all’estrazione e accelerazione degli ioni negativi (sorgente del fascio) e al successivo passaggio nel neutralizzatore e della focalizzazione del fascio ad alta energia. MITICA rappresenta quindi un sistema completo di generazione di un fascio di particelle neutre ad alta energia.

Contatti

NBTF Project Manager: Ing. Vanni Toigo
assistente: Sig.ra Marina Vanzetto
email: marina.vanzetto@igi.cnr.it

Bibliografia

  • V. Toigo, S. Dal Bello, M. Bigi, M. Boldrin, G. Chitarin, L. Grando, A. Luchetta, D. Marcuzzi, R. Pasqualotto, N. Pomaro, G. Serianni, P. Zaccaria, L. Zanotto, P. Agostinetti, M. Agostini, V. Antoni, D. Aprile, M. Barbisan, M. Battistella, M. Brombin, R. Cavazzana, M. Dalla Palma, M. Dan, S. Denizeau, A. De Lorenzi, R. Delogu, M. De Muri, M. Fadone, F. Fellin, A. Ferro, A. Fiorentin, E. Gaio, G. Gambetta, F. Gasparini, F. Gnesotto, P. Jain, A. Maistrello, G. Manduchi, S. Manfrin, G. Marchiori, N. Marconato, M. Moresco, E. Ocello, T. Patton, M. Pavei, S. Peruzzo, N. Pilan, A. Pimazzoni, R. Piovan, C. Poggi, M. Recchia, A. Rizzolo, G. Rostagni, E. Sartori, M. Siragusa, P. Sonato, A. Sottocornola, E. Spada, S. Spagnolo, M. Spolaore, C. Taliercio, P. Tinti, M. Ugoletti, M. Valente, A. Zamengo, B. Zaniol, M. Zaupa, D. Boilson, C. Rotti, P. Veltri, J. Chareyre, H. Decamps, M. Dremel, J. Graceffa, F. Geli, B. Schunke, L. Svensson, M. Urbani, T. Bonicelli, G. Agarici, A. Garbuglia, A. Masiello, F. Paolucci, M. Simon, L. Bailly-Maitre, E. Bragulat, G. Gomez, D. Gutierrez, C. Labate, G. Mico, J.F. Moreno, V. Pilard, G. Kouzmenko, A. Rousseau, M. Kashiwagi, H. Tobari, K. Watanabe, T. Maejima, A. Kojima, N. Umeda, S. Sasaki, A. Chakraborty, U. Baruah, H. Patel, N.P. Singh, A. Patel, H. Dhola, B. Raval, V. Gupta, U. Fantz, B. Heinemann, W. Kraus, M. Cavenago, S. Hanke, S. Ochoa, P. Blatchford, B. Chuilon, Y. Xue, G. Croci, G. Gorini, A. Muraro, M. Rebai, M. Tardocchi, M. D’Arienzo, S. Sandri, A. Tonti, F. Panin (2019) Progress in the ITER neutral beam test facility. Nuclear Fusion, Vol 59, N. 8 https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab2271
  • V. Toigo, D. Boilson, T. Bonicelli, R. Piovan, M. Hanada, A. Chakraborty, G. Agarici, V. Antoni, U. Baruah, M. Bigi, G. Chitarin, S. Dal Bello, H. Decamps, J. Graceffa, M. Kashiwagi, R. Hemsworth, A. Luchetta, D. Marcuzzi, A. Masiello, F. Paolucci, R. Pasqualotto, H. Patel, N. Pomaro, C. Rotti, G. Serianni, M. Simon, M. Singh, N.P. Singh, L. Svensson, H. Tobari, K. Watanabe, P. Zaccaria, P. Agostinetti, M. Agostini, R. Andreani, D. Aprile, M. Bandyopadhyay, M. Barbisan, M. Battistella, P. Bettini, P. Blatchford, M. Boldrin, F. Bonomo, E. Bragulat, M. Brombin, M. Cavenago, B. Chuilo, A. Coniglio, G. Croci, M. Dalla Palma, M. D’Arienzo, R. Dave, H. P. L De Esch, A. De Lorenzi, M. De Muri, R. Delogu, H. Dhola, U. Fantz, F. Fellin, L. Fellin, A. Ferro, A. Fiorentin, N. Fonnesu, P. Franzen, M. Fröschle, E. Gaio, G. Gambetta, G. Gomez, F. Gnesotto, G. Gorini, L. Grando, V. Gupta, D. Gutierrez, S. Hanke, C. Hardie, B. Heinemann, A. Kojima, W. Kraus, T. Maeshima, A. Maistrello, G. Manduchi, N. Marconato, G. Mico, J. F. Moreno, M. Moresco, A. Muraro, V. Muvvala, R. Nocentini, E. Ocello, S. Ochoa, D. Parmar, A. Patel, M. Pavei, S. Peruzzo, N. Pilan, V. Pilard, M. Recchia, R. Riedl, A. Rizzolo, G. Roopesh, G. Rostagni, S. Sandri, E. Sartori, P. Sonato, A. Sottocornola, S. Spagnolo, M. Spolaore, C. Taliercio, M. Tardocchi, A. Thakkar, N. Umeda, M. Valente, P. Veltri, A. Yadav, H. Yamanaka, A. Zamengo, B. Zaniol, L. Zanotto, M. Zaupa (2015) Progress in the realization of the PRIMA neutral beam test facility. Nuclear Fusion, Vol 55 N.8 https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/8/083025
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Diamo insieme uno sguardo agli impianti.

Il Progetto NBTF descritto in 5 minuti