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DEMO
                                     

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DEMO è un prototipo di reattore nucleare a fusione studiato dal consorzio europeo Eurofusion come ideale successore del reattore sperimentale ITER.

È concepito come lultimo reattore di ricerca sulla fusione nucleare prima della messa in opera dei reattori commerciali veri e propri nella seconda metà del XXI secolo. Gli studi su DEMO sono iniziati prima del 1995 e proseguiranno fino alla progettazione costruttiva del reattore, realisticamente prevista intorno al 2050.

A differenza del progetto ITER, che ha lo scopo di dimostrare la possibilità di ottenere plasma in grado di sostenere la reazione di fusione nucleare per un tempo abbastanza lungo 1000 s, lo scopo principale del progetto DEMO è quello di dimostrare esplicitamente la possibilità di generare energia elettrica tramite reazioni di fusione nucleare. Le caratteristiche del plasma di DEMO devono quindi essere più spinte di quelle del plasma di ITER, cioè tali da mantenere la stabilità della reazione di fusione per un tempo indeterminato.

Il consumo di trizio, molto maggiore di quello previsto in una macchina con plasma pulsato come ITER, richiede la presenza in DEMO di un mantello blanket capace di generarlo sul posto, cioè di una parte di macchina destinata a produrre trizio a partire dal litio, attraverso la cattura di un neutrone. Il trizio, essendo un isotopo con un periodo di dimezzamento di circa 12 anni, deve essere prodotto in loco.

                                     

1. Descrizione

La reazione di fusione in DEMO sarà ottenuta per confinamento magnetico in una macchina tipo tokamak vedi la voce fusione nucleare. Dato che nello studio di DEMO sono previsti quattro modelli diversi, sono date le caratteristiche minima e massima previste per i vari modelli.

  • Raggio esterno del plasma: 8.2 - 13.1 m
  • Potenza generata dalle reazioni di fusione: 2.53 - 5.00 GW
  • Potenza elettrica della centrale: 1.33 - 1.55 GW
  • Altezza totale del plasma: 8.6 - 12.3 m
  • Efficienza globale dellimpianto: 31% - 60%
  • Raggio interno del plasma: 4.1 - 6.6 m
  • Campo magnetico toroidale sullasse: 5.6 - 7.0 T
  • Raggio al baricentro del plasma: 6.10 - 9.55 m
                                     

1.1. Descrizione Produzione di energia elettrica

Lo scopo di DEMO è di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica dalla reazione di fusione nucleare, mentre dimostrare leconomicità di questa forma di produzione di energia è lasciato a successive filiere di reattori. Tuttavia questi reattori dovranno sfruttare lesperienza operativa di DEMO per raggiungere lo scopo di avere una produzione di energia elettrica a costi più bassi di quelli dellenergia prodotta da altre fonti carbone, fissione nucleare. La densità di potenza rapporto fra potenza generata e volume in cui viene generata questa potenza della fusione nucleare è nettamente inferiore a quella della fissione nucleare ed inferiore anche a quella della potenza ottenuta da combustibili fossili, quindi la fusione nucleare richiede strutture più voluminose e costose. Per ridurre i costi dellenergia si deve aumentare il rendimento termodinamico del ciclo di generazione dellenergia, cioè si deve aumentare la temperatura del ciclo vedi ciclo di Carnot. Quindi come vettore termico cioè come fluido che trasferisce lenergia da dove viene generata a dove viene trasformata in energia elettrica non si può utilizzare acqua come nelle centrali elettriche a combustibili fossili o nei reattori a fissione nucleare ad acqua - PWR e BWR, ma si devono usare metalli liquidi o gas. In DEMO si pensa di utilizzare come vettore termico Elio o una lega di Piombo con il 17% di Litio.

La lega di piombo con il 17% di atomi di litio Pb-17Li rappresenta un eutettoide, cioè una lega che fonde a temperature relativamente basse vedi eutettico, la temperatura di fusione del Pb-17Li è di 235 °C, quindi il limite inferiore di temperatura per lutilizzo di questa lega come vettore termico è di 250 °C, mentre il limite superiore, dato praticamente dalla resistenza meccanica dei materiali strutturali, è superiore a 600 °C nel caso di strutture in acciaio. Il Pb-17Li, essendo un conduttore elettrico, quando si muove in un campo magnetico, come quello generato in un reattore a fusione, è soggetto, oltre ai normali fenomeni fluidodinamici, anche a fenomeni magnetoidrodinamici, che possono aumentare sensibilmente la resistenza al movimento in queste condizioni, riducendo quindi la velocità con cui può muoversi nel tokamak.

Lelio, essendo gassoso, ha caratteristiche di scambio termico molto basse, quindi può essere utilizzato solo tenendo alte velocità e pressione, la pressione a cui si fa riferimento negli studi di DEMO è di 8 MPa. Questa elevata pressione del gas limita la massima temperatura di impiego a circa 500 °C in strutture resistenti di acciaio, mentre può essere aumentata utilizzando come materiali strutturali metalli refrattari particolarmente tungsteno.

Il vettore termico, dopo essere stato riscaldato dalla reazione di fusione viene portato fuori dal recipiente di contenimento del vuoto vacuum vessel - VV e, nel caso del Pb-17Li, cede il calore ad un gas che viene utilizzato in una turbina, che, muovendo un alternatore, genera lenergia elettrica. Il passo intermedio dello scambio di calore con un gas per utilizzarlo in turbina naturalmente è assente nel caso dellelio.

                                     

2. Componenti principali

Alcuni componenti, che in realtà sono fondamentali per il reattore a fusione, per DEMO non vengono ancora studiati in modo particolareggiato recipiente di contenimento del vuoto, magneti e, negli studi attuali, le loro caratteristiche sono estrapolate da quelle dei componenti corrispondenti di ITER. Di seguito sono presentati i componenti più significativi di DEMO che rappresentano sviluppi originali.

                                     

2.1. Componenti principali Prima parete

Lenergia è prodotta nella macchina DEMO dalla reazione di fusione:

cioè ogni reazione provoca la formazione di una particella α nucleo di elio e di un neutrone. Mentre i neutroni hanno un cammino libero nella materia relativamente elevato, le particelle α sono fermate in spessori di pochi centimetri di acciaio. Questo significa che circa il 19% dellenergia prodotta dalla reazione cioè tutta quella che viene asportata dal plasma da parte delle particelle α riscalda i primi centimetri di materiale solido che si trovano di fronte al plasma stesso. Questa zona, dove la densità di potenza è elevatissima, è indicata come prima parete. In DEMO la prima parete ha uno spessore di 25 mm ed è refrigerata con elio o con Pb-17Li.

Nel caso di refrigerazione usando He il materiale strutturale di riferimento è un acciaio ad alto contenuto di cromo, rinforzato con dispersione di ossidi nella parte più prossima al plasma. La prima parete è percorsa da canali orizzontali, in cui fluisce elio con una temperatura di ingresso di 300 °C ed una temperatura di uscita di 500 °C. Questo elio viene successivamente inviato in turbina insieme allelio che ha refrigerato blanket e divertore.

Invece, nel caso di uso di Pb-17Li, si prevede di usare strutture in materiale composito di fibre di carburo di silicio SiC in una matrice dello stesso materiale sotto forma ceramica. Questo per due motivi: il primo è che, dato che il SiC è un isolante elettrico, usando questo materiale la resistenza al movimento del Pb-17Li per fenomeni magnetoidrodinamici è molto limitata, il secondo è che, in questo modo, è possibile sfruttare la capacità del Pb17Li di asportare calore a temperature superiori a 700 °C, senza un decadimento eccessivo delle caratteristiche del materiale strutturale. I problemi collegati alla realizzazione di strutture massicce in composito a base di SiC sono in corso di studio.



                                     

2.2. Componenti principali Mantello

Il mantello di un reattore a fusione ha due funzioni fondamentali, che ricalcano in prima approssimazione quelle del mantello stellare:

  • Trasferire ad un fluido refrigerante lenergia asportata dal plasma da parte dei neutroni
  • Nel caso particolare di sfruttamento della reazione col Trizio oggi ritenuta uno standard per via della più bassa temperatura richiesta, il mantello deve essere progettato anche per generare il Trizio. Per esempio, nel caso invece della fusione senza neutroni, per esempio dellelio-3, non ci sarebbe bisogno che il mantello sia fertilizzante del trizio: purtroppo questa tecnologia richiede un plasma a temperature più alte, di circa tre volte.

Per svolgere la fertilizzazione, una funzione ulteriore per il mantello molto difficile, è necessaria la presenza di un materiale fertile, e in particolare del litio o di un suo composto: alcune tecnologie candidate per i prototipi ITER e DEMO utilizzano lortosilicato di litio, che è un composto di tipo ceramico, oppure la lega eutettica del litio con il piombo, in cui questultimo è introdotto per schermare verso lesterno. Il piombo potrebbe anche aiutare la fertilizzazione del litio moltiplicatore. Il litio-6, quando è soggetto a un flusso neutronico, assorbe un neutrone e genera oltre ad un nucleo di trizio anche una particella alfa.

                                     

2.3. Componenti principali Divertore

Nel plasma, oltre agli atomi di isotopi di idrogeno deuterio e trizio si trovano anche nuclei più pesanti, provenienti dai materiali strutturali o da fughe di aria o altri gas nel vuoto. Questi nuclei, se lasciati nel plasma, lo avvelenerebbero, facendolo spegnere in tempi estremamente ridotti. Per questo si sfrutta la loro massa, più elevata di quella degli isotopi di idrogeno, per portarli in una zona ben determinata del plasma, in cui vanno ad interagire con una struttura realizzata appositamente per estrarli dal plasma divertore. Il divertore è soggetto a flussi termici localizzati estremamente alti, in ITER si prevede che il picco sia di circa 15 MW/m², questa potenza viene asportata con acqua a bassa temperatura 150 °C.

Il divertore previsto per DEMO ha la stessa geometria del divertore di ITER, tuttavia, dato che la potenza che viene asportata con il divertore varia dal 17% al 24% dellenergia totale prodotta nella reazione di fusione, una soluzione come quella di ITER fluido a bassa temperatura non è proponibile, quindi, per il raffreddamento del divertore, si utilizza He o Pb-17Li a temperature sufficientemente elevate perché il fluido possa essere usato per produrre energia in turbina, comunque in DEMO si prevede che i picchi di potenza possano essere ridotti a circa 10 MW/m². Anche nelle condizioni più favorevoli previste per DEMO, è necessario proteggere la struttura del divertore con un materiale che sia asportato dal plasma prima che questo interagisca direttamente con la struttura sacrificial shield, che, nel caso di DEMO è tungsteno W

Luso di He comporta, per poter asportare una potenza superficiale come quella prevista, che i flussi viaggino a velocità estremamente elevate più di 100 m/s e che ci siano strutture tali da favorire la turbolenza del moto, per avere coefficienti di scambio termico sufficientemente elevati. Comunque, anche in queste condizioni, le temperature locali del materiale strutturale possono salire anche sopra i 700 °C, quindi alcuni studi sono orientati a sostituire nel divertore lacciaio con tungsteno o sue leghe.

Il problema della refrigerazione con Pb-17Li è sempre legato ai fenomeni magnetoidrodinamici, quindi il materiale strutturale previsto per il divertore nel caso che il refrigerante sia Pb-17Li è il SiC, sotto forma di composito in fibre entro una matrice dello stesso materiale. Restano i problemi, già accennati, di costruire strutture complesse con questo materiale.



                                     

3. Situazione degli studi su DEMO

  • Gennaio 2006: Gli studi di DEMO sono coordinati dallEFDA European Fusion Development Agreement, organismo dellUnione europea, e vengono condotti in diverse nazioni europee. Oltre agli studi tecnici su blanket/prima parete si prevede che questi due componenti vengano integrati in ununica struttura e sul divertore sono in corso studi economici sul migliore utilizzo dellenergia di reazione e sulla migliore taglia dellimpianto. Infine sono in corso studi socioeconomici per affrontare il problema di insediare limpianto senza suscitare lopposizione della popolazione locale a questa nuova tecnologia. È previsto di provare in ITER modelli dei blanket refrigerati ad He, mentre ci sono forti difficoltà per provare in ITER divertore e prima parete a causa dei problemi di sicurezza collegati alla presenza di gas ad alta temperatura.
  • Giugno 2007: LUnione Europea e il Giappone firmano laccordo per il cosiddetto Broader Approach alla fusione nucleare. Nato allinterno del progetto ITER e della durata di almeno 10 anni, il Broader Approach prevede che i due partner contribuiscano finanziariamente in parti uguali a una serie di progetti accessori utili allo studio dei plasmi previsti in ITER e, in prospettiva, anche di DEMO. I progetti finanziati dal Broader Approach sono: lupgrading del tokamak sperimentale giapponese JT-60 alla versione JT-60SA da completarsi entro il 2020, la costruzione dellInternational Fusion Materials Irradiation Facility IFMIF per il test di materiali sottoposti alle energie tipiche del plasma di ITER/DEMO, e infine la costruzione dellInternational Fusion Energy Research Centre IFERC che include un centro di progettazione per DEMO, un centro di calcolo per simulazioni di plasma a larga scala e un centro di acquisizione in tempo reale dati operativi di ITER da remoto.
  • Novembre 2012: LEFDA propone una roadmap per la costruzione di un reattore DEMO in grado di produrre qualche centinaio di Megawatt di potenza elettrica netta, da costruirsi subito dopo che ITER avrà dimostrato di essere in grado di generare un surplus di energia poco dopo il 2030 secondo le previsioni. Per semplificare la costruzione, il design e larchitettura di questo reattore saranno molto simili a quelli di ITER, con la fase di progettazione impostata già a partire dal 2020. Grazie a questo approccio si prevede che DEMO possa diventare operativo allinizio degli anni 40 del XXI secolo.
  • 2014: il consorzio EUROfusion inizia la progettazione concettuale del DEMO europeo. Lambizioso obiettivo è di realizzare lelettricità da fusione entro il 2050.
                                     
  • Demo Morselli Reggio nell Emilia, 12 novembre 1961 è un trombettista, arrangiatore, compositore, direttore d orchestra e personaggio televisivo italiano
  • antico: Ἑκάλη, Hekále era il nome di un demo dell Attica. Secondo una leggenda che raccontava che il demo prendeva nome da una donna che aveva ricevuto
  • Tehran è un demo del gruppo musicale statunitense The Offspring, pubblicato nel 1988. Grazie a Tehran gli Offspring ottennero poi un contratto con la Nemesis
  • Poro in greco antico: Πόρος, Póros era un demo dell Attica. Non si sa con certezza dove fosse situato e, nonostante i tentativi di collocarlo nel Laurio
  • Λουσία, Lusía era un demo dell Attica, collocato nella valle del Cefiso, ad ovest di Atene, presso la moderna Nea Liossia. Il demo prende nome da un eroina
  • Collide in greco antico: Χολλεῖδαι o Χολλίδαι, Chollêidai o Chollídai era un demo dell Attica situato a sud di Atene, probabilmente vicino al Ninfeo, detto
  • nome di un demo dell Attica situato lungo la costa a nord - ovest di Atene, vicino ad Eleusi, presso l odierna Aspropyrgos. Tria era un demo importante
  • Bate in greco antico: Βατή, Baté era un demo dell Attica non si sa con certezza dove fosse collocato, ma si ipotizza che si trovasse presso la moderna
  • Igor Demo Nitra, 18 settembre 1975 è un allenatore di calcio ed ex calciatore slovacco, di ruolo centrocampista. Cresciuto nel Nitra, squadra della sua

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