MITICA è il prototipo dell’iniettore di particelle neutre di idrogeno o deuterio ed è parte integrante del progetto NBTF (Neutral Beam Test Facility).
L’iniettore servirà a scaldare il plasma di ITER, il PRIMO REATTORE A FUSIONE NUCLEARE in fase di costruzione a Cadarache in Francia.
Per fare ciò, dovrà essere in grado di produrre un fascio di particelle neutre di idrogeno o deuterio con velocità ed energia sufficienti da riuscire a penetrare nel reattore.
Il sistema di riscaldamento di ITER
Per riuscire ad accelerare gli atomi di idrogeno o deuterio, in modo che possano raggiungere questi valori di velocità ed energia, MITICA per prima cosa, dovrà ionizzarli cioè dare loro carica negativa.
Una volta accelerati, dovrà invece neutralizzarli (cioè privarli della carica negativa) in modo che possano arrivare fino al cuore di ITER senza interferenze.
Come riesce MITICA a fare tutto ciò?
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per conoscere l’impianto passo dopo passo
L’impianto NBTF
MITICA si trova nell’edificio 1, la grande sala sperimentale dell’impianto NBTF, insieme a SPIDER, il prototipo della sorgente di ioni negativi.
Così come SPIDER, anche MITICA è collocata all’interno di un bunker di cemento armato con pareti spesse 180 cm che, una volta chiuso, protegge da radiazione neutroniche e raggi X prodotti durante il suo funzionamento.
Ciò permette l’accesso in sicurezza nell’area sperimentale – ma esternamente al bunker – anche durante la sperimentazione.
Edificio 1 dell’impianto NBTF – sulla sinistra, dall’alto, il bunker aperto di MITICA
Sulla sinistra, MITICA – Al centro, MITICA dall’alto – A destra, il bunker aperto di MITICA in costruzione
La radiazione è un fenomeno di emissione e propagazione di energia da parte di una sostanza.
Può avvenire sotto forma di corpuscoli come i neutroni per esempio, particelle non cariche, presenti nel nucleo degli atomi (radiazione neutronica) o sotto forma di onde (come i raggi X).
In entrambi i casi viene trasmessa energia nello spazio senza bisogno di un mezzo materiale di supporto.
Il cuore di MITICA – che i ricercatori chiamano “la linea del fascio” – si trova dentro una grande scatola di acciaio inox di 15mx5mx5m, chiamata camera da vuoto, in cui può essere generato l’ultra alto vuoto.
È formato da quattro componenti principali (vedi figura sottostante).
Clicca sull’immagine interattiva per visualizzare i componenti di MITICA
La CAMERA DA VUOTO (vacuum vessel) è un parallelepipedo di acciaio delle dimensioni di 15mx5mx5m, formata da due moduli di acciaio inox 304L: il BEAM SOURCE VESSEL (BSV) e il BEAM LINE VESSEL (BLV), che sono descritti di seguito.
Interno del vessel
L’acciaio inox 304L e’ un acciaio inossidabile della famiglia degli acciai austenitici. Come tutti gli acciai è una lega costituita da Ferro Fe e Carbonio C, ma contiene anche una percentuale di Cromo Cr (tra il 18% e il 20%) e di Nickel Ni (tra l’8% e l’11%). L’aggiunta di questi elementi chimici permette il fenomeno della passivazione, cioè la formazione, per reazione con l’ossigeno dell’aria, di una pellicola protettiva sulla superficie del materiale che lo rende resistente alla corrosione.
Il primo modulo, il BEAM SOURCE VESSEL (BSV), ospita la sorgente del fascio. Ha la forma di un cubo di spigolo 5 metri e un peso di 47 tonnellate.
Il secondo modulo è il cosiddetto BEAM LINE VESSEL (BLV).
Con le sue notevoli dimensioni di 4.5 metri di altezza per 4.5 metri di larghezza, 11 metri di lunghezza e una massa 49 tonnellate, contiene tutti i componenti attraversati dal fascio.
L’interno del vessel di MITICA
Sulle pareti laterali della camera da vuoto si trovano delle aperture. Alcune permettono di inserire gli strumenti diagnostici di MITICA, mentre altre permettono le connessioni con altri tre sistemi fondamentali per il funzionamento dell’iniettore:
Per mantenere il vuoto all’interno della camera, si usano delle criopompe, cioè pompe che lavorano a bassissime temperature.
Misurano 8 m di lunghezza, 2.5 m di larghezza e 40 cm di profondità.
Sono montate internamente al vessel, lungo le due pareti laterali verticali e con le loro dimensioni ne ricoprono quasi tutta l’area.
Sono costituite di acciaio e alluminio e sono parzialmente rivestite di un materiale assorbente derivato dalla noce di cocco.
Portato a temperature di circa -268°C (circa 5 K), questo materiale riesce ad adsorbire le molecole di idrogeno presenti nel vessel, fino a raggiungere il vuoto desiderato.
Una volta saturo, sarà necessario liberarlo dall’idrogeno intrappolato per renderlo di nuovo operativo. Ciò risulterà possibile alzando la temperatura a circa 100 K e provvedendo a estrarre il gas rilasciato.
La pressione iniziale prima dell’inserimento del gas è di 10-7mbar.
Quando MITICA entra in funzione, si inietta una piccolissima quantità di gas – per generare il plasma – che porta la pressione a 10-5mbar.
1 bar corrisponde a circa 1 atmosfera
1 mbar corrisponde a 1 millesimo di atmosfere
10-7 mbar corrispondono a 10 miliardesimi di atmosfere
All’interno del BEAM SOURCE VESSEL (BSV) c’è la SORGENTE DEL FASCIO di MITICA, il componente più critico dell’iniettore.
Misura 3mx3mx4.5m e pesa circa 15t.
La sorgente è composta da due parti, ciascuna dedicata a funzioni diverse:
La PLASMA SOURCE (chiamata anche RF SOURCE) è dotata di 8 DRIVER, ossia 8 camerette cilindriche che contengono il gas (idrogeno o deuterio) che si trasformerà in plasma.
Attorno a ciascun driver sono avvolti tubi di rame (bobine) in cui circola corrente alternata a una frequenza opportuna.
Il passaggio di questa corrente alternata nelle bobine genera delle radiofrequenze capaci di eccitare le molecole del gas nei driver, ionizzandolo e trasformandolo quindi in un plasma a bassa energia composto principalmente di ioni negativi, positivi ed elettroni.
La PLASMA SOURCE è alimentata elettricamente dal sistema ISEPS.
(Scopri nel seguito cos’è la corrente alternata)
La seconda parte della sorgente, dedicata all’estrazione e all’accelerazione degli ioni negativi che formeranno il fascio, è costituita da 7 piastre forate di rame (GRIGLIE) con 1280 fori perfettamente calibrati e allineati opportunamente tra loro. Per aumentare l’efficienza dell’operazione di estrazione, sulla superficie delle griglie viene inserito del Cesio. (Scopri nel seguito a cosa serve il Cesio)
Le griglie di accelerazione sono alimentate elettricamente dal sistema AGPS.
Il Cesio è un metallo alcalino donatore di elettroni. Gli elettroni messi a disposizione dal Cesio, una volta portato ad alta temperatura, aumentano la quantità di ioni negativi prodotti.
Scopri il Caesium Test Stand
Le griglie sono disposte parallelamente tra loro e in direzione perpendicolare al fascio.
In sequenza si trovano:
In dettaglio:
Di tutte le cariche presenti nel plasma prodotto dagli otto driver nello spazio antecedente la griglia di plasma, solo gli ioni negativi, vengono “incanalati” dalla griglia di estrazione verso le griglie successive fino alla griglia di terra generando il fascio di ioni negativi.
Ciò che accelera questi atomi caricati elettricamente è la differenza di potenziale tra le griglie. Ciascuna griglia, infatti, è caricata ad un potenziale elettrico crescente fornito dalla linea di alimentazione in corrente continua. La differenza di potenziale per ogni stadio è di 200kV; si passa così dalla griglia a -800kV, alle successive rispettivamente a -600kV, -400kV, −200kV fino a quella finale a potenziale 0 (griglia di terra).
(Scopri nel seguito cos’è la differenza di potenziale )
Sommando le differenze di potenziale, la tensione complessiva applicata dalla sorgente raggiunge così 1 milione di Volt e il fascio di ioni negativi generato acquista un’energia tale da giungere nel cuore del plasma del reattore a fusione, scaldandolo. Questo sistema produce un fascio di ioni di Idrogeno a con valori corrente di 49A e/o un fascio di ioni di Deuterio a 40A.
(Scopri nel seguito cos’è la corrente elettrica )
La corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche, generalmente elettroni. Questo flusso avviene solo se esiste una differenza di potenziale elettrico tra due diversi punti di un sistema, cioè quando tra questi punti esiste una differenza di quantità rispetto alle cariche presenti e quindi una diversa energia. Se questa differenza è abbastanza elevata e le cariche sono libere di passare, esse cominciano a fluire per andare a compensare questo disequilibrio generando una corrente elettrica. È come quando l’acqua dalla montagna scorre a valle: ciò succede perché c’è un dislivello di quota.
La differenza di potenziale si può chiamare anche “tensione elettrica” e si misura in Volt; per la corrente invece, si prende in considerazione quanta carica elettrica viene trasportata dagli elettroni in un secondo e questa unità di misura si chiama Ampère.
Per gli organismi viventi una corrente di 0.01A è considerata già pericolosa. Nelle nostre case, attraverso le prese elettriche, possiamo prelevare circa 220V che vengono continuamente resi disponibili dai generatori presenti nelle centrali elettriche e le correnti che circolano nei cavi che alimentano i nostri elettrodomestici sono dell’ordine di 10-16 Ampère.
Nel caso di MITICA, le differenze di potenziale in gioco sono 5000 volte superiori
All’interno dei fili elettrici, la corrente è data dal flusso di alcuni degli elettroni che costituiscono il materiale dei cavi stessi . Questi elettroni vengono messi in movimento da una differenza di potenziale elettrico (o tensione) misurata in Volt.
Se questa differenza di potenziale è costante nel tempo, il flusso di elettroni avviene in un’unica direzione e la corrente generata è detta “continua” (DC). Se la differenza di potenziale varia nel tempo, invertendosi di segno, anche il flusso di elettroni segue lo stesso andamento e la corrente prodotta viene chiamata “alternata” (AC). Il numero di volte al secondo con cui avviene questo cambiamento definisce la frequenza che viene misurata in Hertz (Hz).
Il trasporto della corrente elettrica, dalle centrali che la producono fino alle nostre case, avviene in AC. Questa modalità permette infatti di aumentare la differenza di potenziale necessaria per il trasporto, garantendo una maggiore efficienza su lunghe distanze.
L’utilizzo della corrente alternata ad alta frequenza all’interno dei driver della sorgente di MITICA genera delle onde elettromagnetiche (dette anche radiofrequenze), cioè una perturbazione dello spazio circostante che può essere intercettato da eventuali cariche elettriche presenti al suo interno, come ad esempio gli elettroni contenuti negli atomi.
Nel caso dell’idrogeno o del deuterio iniettati nella sorgente di MITICA, le radiofrequenze riescono ad accelerare gli elettroni di cui sono costituiti gli atomi di questi gas, dando loro abbastanza energia per allontanarsi dalle loro sedi e formando in questo modo un plasma a bassa energia costituito da atomi che hanno perso un elettrone (ioni positivi), atomi che lo hanno acquisito (ioni negativi) e singoli elettroni.
Le griglie sono progettate per operare a una temperatura massima di 200°C e devono essere costantemente raffreddate durante il loro utilizzo attraverso un flusso continuo di acqua opportunamente trattata.
Proseguendo lungo la linea del fascio si trova il NEUTRALIZZATORE, il componente che ha il compito di rendere neutri gli ioni negativi prodotti dalla sorgente, ossia di far sì che questi possano cedere l’elettrone acquistato precedentemente.
Se il fascio di particelle non fosse neutro, verrebbe deviato dagli intensi campi magnetici che confinano il plasma all’interno del reattore di ITER. Il neutralizzatore svolge dunque un ruolo fondamentale.
Una carica elettrica in movimento all’interno di un campo elettromagnetico viene deviata nella sua traiettoria da una forza chiamata “Forza di Lorentz”. Questa forza è diretta perpendicolarmente alla direzione del moto della carica ed è tanto più elevata quanto maggiore è il valore della carica, la sua velocità e l’intensità del campo magnetico.
Guarda il video di Valerio Pattaro che spiega la forza di Lorentz
Il neutralizzatore è composto da quattro canali ottenuti da cinque pannelli in rame, contenenti appunto idrogeno o deuterio, in cui passa il fascio di particelle
Funziona per scambio di carica con molecole di gas dello stesso tipo di quello di cui è costituito il fascio. Gli ioni negativi ad alta velocità, urtando le molecole di idrogeno o deuterio rarefatti presenti nei suoi canali, perdono l’elettrone che avevano acquisito nella sorgente, (ma non la loro velocità ed energia) e diventano neutri.
Uno degli aspetti più critici del Neutralizzatore è rappresentato dai circuiti di raffreddamento dei pannelli in rame, sottoposti a potenze termiche elevate (fino a 6 MW complessivi). Le sue caratteristiche costruttive lo rendono un dispositivo in grado di resistere a densità di potenza fino a 5 MW/m2.
Il neutralizzatore ha mediamente un efficienza prevista pari al 50-60%, cioè solo il 50-60% degli ioni vengono neutralizzati. Il restante 40-50% degli ioni negativi rimasti, vengono successivamente eliminati all’interno di un terzo componente chiamato RID, “RESIDUAL ION DUMP”.
Nel RID vengono prodotti dei campi elettrici trasversali al fascio in grado di deviare gli ioni negativi rimasti dopo il passaggio attraverso il neutralizzatore e di attirarli fino alle pareti laterali del dispositivo, dove rimangono intrappolati. (Scopri nel seguito cos’è un campo elettrico )
Lo strumento è composto da cinque pannelli longitudinali. Tra ciascuna coppia di pannelli viene applicata una tensione costante e continua fino a 30 kV di valore massimo.
Data l’elevata energia depositata, le pareti devono essere necessariamente raffreddate con acqua.
Il RID è progettato per assorbire e rimuovere una potenza totale di circa 19 MW e per resistere a densità di potenza fino a 8 MW/m2.
La presenza di una carica elettrica nello spazio genera intorno a sé un campo elettrico. Una seconda carica che viene a trovarsi immersa in questo campo, sentirà l’azione dello stesso sotto forma di una forza. Questa forza sarà repulsiva se le due cariche presenti hanno lo stesso segno, attrattiva in caso contrario.
Anche una superficie uniformemente carica genera un campo elettrico intorno a sé. Le piastre del RID vengono caricate in modo da generare campi elettrici capaci di attirare e catturare gli ioni residui di idrogeno o deuterio rimasti ancora presenti dopo il passaggio attraverso il neutralizzatore, eliminandoli quasi totalmente.
Il CALORIMETRO di MITICA ha il compito di intercettare il fascio ad alta energia prodotto dall’iniettore, di assorbire tutta la sua potenza e misurarne i parametri.
E’ costituito da due pareti di tubi raffreddati ad acqua che, in ITER, con un opportuno sistema di movimentazione potranno assumere due differenti configurazioni:
Il calorimetro è progettato per assorbire l’energia del fascio, fino a 18 MW.
-1MV
L’impianto di alimentazione elettrica di MITICA a un milione di Volt in corrente continua (1 MVdc) è il primo prototipo mondiale a questa tensione, potenza (56 MW) e dimensioni.
È stato progettato e prodotto in collaborazione con il laboratorio giapponese QST e l’agenzia europea F4E.
Si compone di più parti (vedi figura sottostante):
Il milione di Volt fornito dal sistema ha segno negativo perché la sorgente di ioni dovrà produrre ioni negativi che successivamente saranno accelerati fino a potenziale di terra attraverso i 5 stadi di accelerazione, ciascuno di 200 kV. Si è scelto di operare con ioni negativi per la più elevata efficienza del processo di neutralizzazione
La potenza è la quantità di energia assorbita o erogata da un sistema in un secondo di tempo. La sua unità di misura è il Watt (W) .
1W è equivalente a 1 Joule al secondo, essendo il joule l’unità di misura dell’energia.
L’AGPS fornisce tensione alle griglie di accelerazione. È composto da cinque -200kV DC Generators (DCG) collegati in serie.
In ogni DCG c’è un trasformatore trifase elevatore e un ponte a diodi trifase.
I conduttori di uscita dai 5 generatori DCG passano, attraverso linee isolate in SF6, in un’unità filtro RC che filtra e seleziona le tensioni ai valori desiderati.
Un trasformatore è un dispositivo che lavora solo in corrente alternata, capace di trasferire energia elettrica da un circuito a un altro, modificando la tensione della corrente alternata che lo attraversa. Il trasformatore è detto monofase se modifica la tensione applicata a un singolo cavo conduttore (fase), trifase se lavora su tre cavi conduttori che hanno tensioni applicate sfasate tra loro nel tempo.
Un diodo è un dispositivo che lascia passare la corrente in una sola direzione. Permette quindi di trasformare la corrente alternata in corrente continua.
Un ponte a diodi trifase utilizza sei diodi per convertire la corrente alternata trifase in corrente continua.
Un’unità filtro RC è un circuito che viene utilizzato per filtrare un segnale elettrico selezionando o attenuando determinate frequenze di quel segnale.
Per alimentare il sistema dei trasformatori e diodi AGPS serve il sistema di controllo AGPS-CS dove ci sono dei convertitori AC/DC e degli inverter.
L’utilizzo degli inverter in questa fase permette di intervenire automaticamente in caso di rilevamento di scariche elettriche tra le griglie di accelerazione, (che si verificano in condizioni di funzionamento normale dell’acceleratore) sospendendo l’erogazione della corrente in tempi brevissimi (dell’ordine dei microsecondi).
In sintesi:
| Componente | Funzione |
| AGPS-CS | Preleva la corrente alternata dalla rete elettrica, la converte a continua e nuovamente ad alternata (AC/DC/AC). Ciò permette di garantire il controllo puntuale delle tensioni erogate e di gestire in maniera rapida lo spegnimento e la successiva rapida riaccensione in caso di rilevamento di scariche elettriche tra le griglie di accelerazione |
| AGPS-DCG | Innalza le tensioni provenienti dall’AGPS-CS e ottiene corrente continua per alimentare le griglie dell’acceleratore a valle della sorgente di ioni e accelerare il fascio |
L’HighVoltageDeck1 è una imponente gabbia di Faraday isolata in aria a -1MV dc.
Contiene le alimentazioni della Sorgente di Ioni negativi (ISEPS)
Lunga 12.5 metri, alta 9.6 metri, e larga 8.4 metri è appoggiata su degli isolatori alti 6.5 m che sostengono un rilevante peso (circa 100 tonnellate di struttura ed apparecchiature contenute) assicurando l’isolamento elettrico.
High Voltage Deck 1
Un Trasformatore di Isolamento (1MV Insulating Transformer, vedi Figura) alimenta l’ISEPS contenuta al suo interno. Tra il trasformatore e la HVD1 è collegato in serie un dispositivo LCR (Induttore L, condensatore C e resistore R – acronimo LCR) che protegge il trasformatore contro le sovratensioni di impianto (vedi figura).
Il dispositivo LCR – Il trasformatore di isolamento
Una gabbia di Faraday è un conduttore cavo che scherma elettricamente il suo interno da qualsiasi campo elettrico esterno. Quando un campo elettrico esterno agisce sulla gabbia di Faraday, le cariche elettriche si dispongono sulla superficie del conduttore in modo da annullare questo campo isolando così i dispositivi presenti all’interno.
Un trasformatore di isolamento è un dispositivo che trasferisce energia elettrica da un circuito primario a un circuito secondario in modo indiretto. In pratica collega due circuiti senza che vi sia passaggio diretto di corrente elettrica dall’uno all’altro. Grazie a questa separazione fisica, questo sistema permette di proteggere le apparecchiature elettriche da possibili disturbi e consente di lavorare con maggiore sicurezza riducendo il rischio di guasti causati da eventuali scariche elettriche indesiderate.
A collegare la AGPS e l’ISEPS alla Beam Source installata all’interno del Vessel di MITICA, ci pensa la Linea di Trasmissione (Transmission Line, TL – vedi figura), un tubo lungo circa 100 m, che nella parte finale arriva a 3 m di diametro, isolata in SF6 (ad una pressione di 6 bar).
I conduttori in uscita dalla ISEPS raggiungono la Linea di Trasmissione attraverso un passante elettrico aria-gas SF6;
Tutte queste apparecchiature, isolate in aria, sono installate all’interno di una Sala Alta tensione con condizioni ambientali controllate per evitare la contaminazione dalle polveri.
Un passante elettrico aria-gas è un componente che permette il passaggio di corrente elettrica attraverso una parete che separa due ambienti, uno riempito d’aria e l’altro riempito di gas . La parete ha il compito di impedire che i due gas possano passare e mescolarsi fra loro.
L’esafluoruro di zolfo, (SF6) è un gas utilizzato principalmente per isolamento elettrico in apparecchiature di alta tensione, attualmente senza possibili soluzioni alternative di analoghe prestazioni isolanti.
Incolore, inodore, non infiammabile e non tossico, capace di resistere al passaggio di corrente, ha però la particolarità di essere un gas a effetto serra con un potenziale di riscaldamento globale molto elevato.
All’interno dei nostri laboratori il necessario quantitativo di SF6 immagazzinate allo stato liquido in serbatoi di stoccaggio a 50 bar, viene spostato dai serbatoi di stoccaggio ai componenti HV e viceversa, mediante speciali apparecchiature di movimentazione. Ogni operazione viene rigorosamente effettuata in linea con la normativa europea sull’utilizzo e gestione di questo gas.
La TRANSMISSION LINE
Il SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO dell’intera facility (MITICA E SPIDER) è costituito da una serie di 10 circuiti primari in grado di dissipare il calore prodotto dall’intero impianto. I valori di potenza in gioco a pieno regime di utilizzo di entrambe i prototipi sono enormi, intorno ai 70 MW nominali. Ciò impone un sistema complesso di raffreddamento.
Per garantire lo scambio termico in condizioni di altissime tensioni (fino a 1MV) e per evitare la formazione di dannosissime scariche elettriche, ci si avvale di una parte specifica dell’impianto chiamata Chemical Control System. Si tratta di una serie di processi di trattamento finalizzati ad ottenere acqua ultrapura che resiste al passaggio della corrente.
L’acqua ultrapura essendo altamente purificata, è costituita quasi esclusivamente da molecole di acqua neutre e non contiene alcun tipo di sali minerali o specie cariche in grado di muoversi sotto l’azione di una differenza di potenziale. Per questo motivo si dice che ha un’elevata resistività, ossia si lascia attraversare solo molto debolmente dalla corrente.
Il Chemical Control System permette di ottenere acqua ultrapura attraverso diversi sistemi di trattamento, l’ultrafiltrazione, l’elettrodeionizzazione e l’osmosi inversa.
Questi processi permettono anche il controllo del livello di acidità dell’acqua (pH) e la quantità di ossigeno disciolto al fine di preservare i circuiti da fenomeni di corrosione chimica.
L’impianto di raffreddamento di MITICA e SPIDER