Dottorato in ENERGIA E AMBIENTE

Titolo della tesi: Activated Corrosion Products: Experimental and Numerical Investigations for Tokamak-Type Fusion Plants Applications

Nel contesto del progresso della tecnologia della fusione nucleare, garantire la sicurezza di una centrale a fusione nucleare (FPP) riveste un'importanza cruciale, a causa delle complessità intrinseche delle reazioni di fusione e delle sfide derivanti dalle severe condizioni operative. La tecnologia della fusione nucleare è ancora in fase di sviluppo e, pertanto, è fondamentale adottare approcci, tecniche e strategie in grado di affrontare e superare le difficoltà tecniche e scientifiche che ostacolano il progresso verso la realizzazione di una centrale a fusione operativa e sicura. L’obiettivo finale consiste nel creare un sistema complesso e integrato in grado di raggiungere l’obiettivo di sicurezza, che è quello di garantire che un impianto nucleare non rappresenti un rischio significativo per la salute umana e per l’ambiente. La presente tesi si propone di esaminare, sia sperimentalmente che numericamente, il comportamento dei contaminanti nei circuiti di raffreddamento, poiché tali contaminanti influenzano l’ Occupational Radiation Exposure (ORE) e la gestione e lo smaltimento dei rifiuti. Una parte di questi contaminanti nei circuiti ad acqua degli impianti di fusione di tipo tokamak è costituita da Prodotti di Corrosione Attivati (ACP). Lo studio comprende indagini sperimentali sui materiali selezionati per il progetto EUropean DEMOnstrator (EU-DEMO), nonché analisi numeriche relative ai progetti EU-DEMO e Divertor Tokamak Test (DTT), con l’obiettivo di supportare la progettazione in sicurezza dei componenti selezionati. Inoltre, è stato sviluppato un modello fisico per potenziare gli strumenti teorici disponibili, con l’obiettivo a lungo termine di fornire analisi di sicurezza più affidabili e realistiche. La tesi è articolata in due parti separate, dedicate rispettivamente alle indagini sperimentali e alle analisi numeriche e di modellizzazione. Durante l'indagine sperimentale, è stato utilizzato un setup per studiare il comportamento di corrosione delle leghe a base di ferro in ambienti simili a quelli del progetto DEMO. È stata utilizzata una soluzione acquosa come fluido, con variazioni della concentrazione di alcali e dell'ossigeno disciolto nella soluzione. La seconda parte è dedicata alle analisi numeriche e alla modellizzazione. Con il codice OSCAR-Fusion, è stato valutato l’effetto della chimica dell’acqua sulla formazione di ACP nel sistema primario di trasferimento di calore (PHTS) del Plasma Facing Unit (PFU) di DEMO, nonché nel sistema di raffreddamento ad acqua (WCS) del Vacuum Vessel (VV) di DTT, con l’obiettivo di supportare la progettazione orientata alla sicurezza. Le analisi relative al PFU di DEMO sono state effettuate con la versione 1.3 del codice OSCAR-Fusion, perturbando due parametri chiave: la concentrazione di idrossido di litio nel fluido di raffreddamento e i coefficienti di velocità di corrosione standardizzati. Al contrario, le analisi di DTT si sono concentrate sullo sviluppo di un set di dati, utilizzando i dati disponibili e ipotesi di base. La valutazione è stata effettuata confrontando due diverse configurazioni del sistema di controllo della chimica del refrigerante (CVCS), al fine di confrontare gli effetti delle due configurazioni sulla distribuzione delle attività nel circuito e sulle attività superficiali dei componenti. La fase di modellizzazione della seconda parte di questa tesi affronta una delle limitazioni degli strumenti teorici attualmente disponibili: l’effetto del campo magnetico sul comportamento degli ACP non è stato ancora esplorato in dettaglio. Per affrontare questa lacuna, è stato sviluppato un modello fisico per migliorare la capacità del codice OSCAR-Fusion di simulare come il trasporto e la deposizione degli ACP possano essere influenzati dal campo magnetico. Il fenomeno della magnetoforesi è stato integrato nel modello, con la definizione di nuovi coefficienti di trasferimento di massa per tenere conto degli effetti del campo magnetico, e di una nuova correlazione per la fase di deposizione. Le indagini sperimentali preliminari hanno recentemente confermato i risultati ottenuti. Questo studio contribuisce significativamente alla comprensione dei processi di corrosione negli impianti a fusione nucleare, offrendo spunti cruciali per affinare le considerazioni relative alla sicurezza e al design. Ciò è stato realizzato attraverso un’analisi sistematica dei meccanismi di corrosione che si verificano nelle condizioni estreme tipiche degli ambienti di fusione, come elevati flussi di radiazione, alte temperature e la presenza di componenti affacciati al plasma (PFC). I risultati ottenuti sono utili per orientare la progettazione e le strategie necessarie a migliorare l’integrità strutturale e la longevità degli impianti a fusione nucleare. Inoltre, questo lavoro fornisce le basi per futuri studi finalizzati ad affrontare le sfide legate alla corrosione e a realizzare analisi di sicurezza più affidabili, supportando così il progresso verso la commercializzazione dell'energia da fusione, migliorando l’affidabilità e la sicurezza degli impianti durante il loro ciclo di vita operativo.