Titolo della tesi: Balance of Plant Design and Optimization for Tokamak Fusion Power Plants: Applications to ARC-like and EU-DEMO Reactors
Questo lavoro di dottorato si colloca nell’ambito di una collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Astronautica, Elettrica ed Energetica (DIAEE) – Nuclear Engineering Research Group (NERG) – della Sapienza Università di Roma e due enti di ricerca: il gruppo di MAgnetic Fusion Energy (MAFE) di ENI S.p.A. e la divisione di Ingegneria Sperimentale – Dipartimento Nucleare – di ENEA. Queste collaborazioni si concentrano sulla progettazione e lo studio di due reattori dimostrativi per la fusione nucleare destinati alla produzione di energia elettrica: ARC e DEMO.
Il progetto ARC (Affordable, Robust, Compact) è un'iniziativa del Massachusetts Institute of Technology (MIT) Plasma Science and Fusion Center, sviluppata dal Commonwealth Fusion Systems (CFS) in collaborazione con ENI. ARC si propone come un'innovazione radicale nel settore dei reattori a fusione, distinguendosi dalle facility tradizionali grazie alla proposta di una configurazione compatta e modulare. Questo obiettivo è reso possibile dall’adozione di materiali superconduttori ad alta temperatura per la generazione di campi magnetici più intensi. Inoltre, ARC introduce soluzioni tecnologiche avanzate, tra cui un sistema di Breeding Blanket (BB) liquido, in cui l’intero Vacuum Vessel (VV) è immerso, con lo scopo di migliorare il recupero termico e semplificare la gestione del combustibile. Il progetto si basa sulle conoscenze che saranno acquisite con la realizzazione del reattore sperimentale SPARC e si pone l’obiettivo di dimostrare la possibilità di generare energia da fusione attraverso dispositivi scalabili e più facilmente integrabili su scala industriale.
Il progetto EU-DEMO (EUropean DEMOnstration power plant), promosso dal consorzio EUROfusion, rappresenta invece il passo successivo verso la realizzazione di un reattore a fusione commerciale. Uno dei principali elementi di interesse è lo studio e la progettazione del BB, con particolare riferimento alla configurazione Water-Cooled Lead-Lithium (WCLL). Il BB svolge un ruolo cruciale nell’assorbimento dell’energia prodotta, nella generazione del combustibile (trizio) necessario per sostenere la reazione di fusione, e nello schermaggio dei neutroni emessi dal plasma. In questa configurazione, il raffreddamento è affidato ad un circuito ad acqua pressurizzata, mentre la miscela eutettica di piombo e litio (PbLi) è impiegata per la produzione di trizio e per la protezione dai neutroni.
La progettazione di componenti per reattori a fusione di tipo tokamak presenta diverse sfide ingegneristiche, in particolare legate al funzionamento pulsato, caratterizzato dall'alternanza di fasi operative (pulse) e fasi di pausa (dwell). Questo comportamento ciclico introduce sollecitazioni termiche e meccaniche sui materiali e sulle strutture, rendendo necessaria un’attenta progettazione per garantire resistenza a variazioni di pressione e temperatura.
La ricerca condotta sulla facility ARC esamina diverse configurazioni per il BoP, con un focus sull’ottimizzazione del ciclo di conversione dell’energia e sulla progettazione degli scambiatori di calore. L’analisi si concentra su tre cicli termodinamici: il ciclo Rankine supercritico, il ciclo Brayton supercritico a CO₂ e il ciclo Brayton supercritico a He. Questi cicli, definiti a partire da configurazioni preesistenti, vengono adattati alle condizioni operative tipiche di un impianto ARC-like, al fine di determinare la soluzione più adatta. Per l’analisi e l’ottimizzazione di ciascun ciclo è stato utilizzato il software GateCycle, con l'obiettivo di massimizzare l’efficienza di produzione dell’energia elettrica. I risultati hanno individuato nel ciclo Rankine la soluzione più promettente da adottare per il BoP, grazie alla sua elevata efficienza e alla maggiore maturità tecnologica rispetto agli altri due cicli proposti. In parallelo, è stato sviluppato un progetto per la configurazione preliminare di uno scambiatore di calore a doppia parete (DWHX), valutandone il comportamento sia in condizioni stazionarie che di transitorio operativo (i.e. durante il passaggio pulse-dwell). Per valutare le performance del componente, anche in presenza di variazioni di temperatura e portata, è stato utilizzato il codice di sistema RELAP5-3D. Inoltre, è stata effettuata un’analisi della potenza in condizioni transitorie, proponendo soluzioni per limitare le variazioni di temperatura del fluido secondario che viene inviato in turbina e ridurre le sollecitazioni a cui i componenti vengono sottoposti. I risultati ottenuti suggeriscono che, quando la portata del fluido secondario viene regolata in modo da accomodare le fluttuazioni di potenza che si verificano durante la fase di dwell, si registra una riduzione delle oscillazioni di temperatura, ma si osservano al contempo maggiori fluttuazioni nella potenza trasmessa alla turbina. Al contrario, il mantenimento di una portata secondaria costante limita le fluttuazioni di potenza durante la fase di dwell, ma comporta un aumento delle oscillazioni di temperatura nei diversi fluidi.
Per il reattore DEMO, invece, la ricerca si è focalizzata su due aree principali: il circuito intermedio e il BB. Considerando una configurazione indiretta del BoP, è stato effettuato il dimensionamento preliminare di uno scambiatore elicoidale, progettato per accoppiare il circuito intermedio con quello secondario. Questo scambiatore è stato sviluppato con l’obiettivo di essere integrato in un modello più ampio del circuito intermedio, per il quale sono stati definiti e descritti lo schema progettuale e il comportamento durante il transitorio operazionale pulse-dwell. Inoltre, è stata sviluppata e presentata una logica di controllo volta a regolare eventuali fluttuazioni di temperatura o potenza che possono caratterizzare il sistema. Per quanto riguarda il BB di DEMO, invece, è stato sviluppato un modello dettagliato di uno dei 16 settori, suddiviso in cinque segmenti principali (LOB, COB, ROB, LIB, RIB). Ogni segmento è composto da circa 100 celle impilate, ognuna delle quali presenta due sistemi di refrigerazione separati: uno dedicato alla First Wall e l’altro alla Breeding Zone. A partire dalla cella equatoriale del segmento centrale di OutBoard, è stato modellato il sistema di refrigerazione e lo scambio termico all’interno dell’intero settore, diviso il sette zone poloidali. Il comportamento di questo componente è stato analizzato sia in condizioni stazionarie che durante transitori operativi e incidentali. Nell’analisi in regime stazionario, si è condotto un processo di orifiziatura dei canali di entrambi i sistemi di raffreddamento con l’obiettivo di ottenere temperature di uscita uniformi. Gli scenari incidentali analizzati prevedono eventi specifici che determinano una rapida variazione del flusso di refrigerante, seguita dalla riduzione della potenza proveniente dal plasma a causa del successivo shutdown del reattore. L’obiettivo di queste analisi è quello di valutare la capacità del sistema di sostenere queste condizioni, identificando eventuali criticità. I risultati ottenuti indicano che, sebbene si manifestino degli hot-spot nel primo periodo successivo all’evento incidentale, in una prima valutazione il comportamento termoidraulico del componente può essere considerato accettabile.
In conclusione, questa tesi si propone di contribuire all’analisi e alla progettazione di soluzioni per il BoP di reattori a fusione di tipo tokamak, analizzandone il funzionamento sia in condizioni operative nominali che in scenari incidentali attraverso un processo di modellazione e simulazione con software dedicati. L’attività condotta ha permesso di ottenere una prima caratterizzazione dei principali componenti che costituiscono il BoP, evidenziandone eventuali criticità, e ponendo le basi per successivi miglioramenti ed ottimizzazioni. Sarà infatti necessario approfondire i cicli termodinamici per migliorarne l’efficienza, e considerare anche l’integrazione di sistemi per il recupero del calore e strategie di controllo per la regolazione delle fluttuazioni di temperatura e potenza nei sistemi di trasferimento del calore. Un ulteriore passo avanti consisterà nell’integrazione dei componenti analizzati in sistemi più ampi, in modo da poter avere una valutazione complessiva del comportamento del BoP dell’impianto, ed eventuali interventi da effettuare per migliorarne le prestazioni, la sicurezza e l’affidabilità.