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Nucleare: fusione, tecnologie laser avanzate per il controllo del combustibile nei reattori
Un team di ricerca che comprende ENEA ha testato con successo due tecnologie laser avanzate presso il Joint European Torus (JET), uno dei più grandi reattori sperimentali a fusione nucleare. L’obiettivo è stato di monitorare a distanza e in tempo reale i materiali esposti al plasma e quantificare in situ il combustibile (deuterio e trizio), garantendo sicurezza ed efficienza dei futuri impianti.
Finanziate dal consorzio EUROfusion, le campagne sperimentali hanno permesso sia di tracciare i depositi di deuterio e trizio[1] che di determinare la composizione chimica delle superfici interne del reattore, senza la necessità di lunghe e complesse operazioni di rimozione dei componenti della camera da vuoto.
Si tratta delle tecniche LIBS[2] e LID-QMS[3]: la prima, oltre a monitorare i componenti esposti al plasma, consente di ottenere informazioni sulla composizione chimica del componente in profondità, di verificare l’eventuale erosione del suo strato superficiale e la rideposizione di materiali erosi provenienti da altri componenti interni della camera da vuoto; la spettrometria di massa LID-QMS, invece, è in grado di quantificare deuterio, trizio, ma anche l’elio prodotto dalla reazione di fusione e ‘intrappolato’ nel componente in studio.
“Nei futuri dispositivi a fusione nucleare come ITER e DEMO, di cui il JET è stato il precursore più rappresentativo, una frazione del combustibile non parteciperà alla fusione e si depositerà sui componenti interni della camera da vuoto”, spiega Salvatore Almaviva ricercatore del Dipartimento Nucleare dell’ENEA presso il Centro Ricerche di Frascati (Roma). “I depositi di questo combustibile - aggiunge - dovranno in futuro essere localizzati e quantificati in situ, senza la necessità di lunghe e complesse operazioni di rimozione dei componenti della camera da vuoto, proprio come fatto presso l’impianto JET”.
Oltre a ENEA, l’attività ha coinvolto: Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi del Cnr (ISTP), Forschungszentrum Jülich (Germania), VTT Technical Research (Finlandia), UKAEA - Autorità per l’energia atomica (Regno Unito), Istituto polacco di fisica del plasma e microfusione laser (IPPLM) e le università Comenius (Slovacchia), Tartu (Estonia) e della Lettonia.
Come funzionano le due tecniche laser
Sono due tecniche basate su laser, complementari ed estremamente utili soprattutto se utilizzate in sinergia. La tecnica Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) concentra il fascio che impatta con una densità di potenza molto elevata sulla “mattonella” interna del reattore.
Questo provoca l’accensione di un piccolo plasma locale; dalla sua analisi spettroscopica – ovvero “dall’impronta digitale” luminosa - si ottengono informazioni sulla composizione chimica di quanto rilevato.
La seconda tecnica, Laser Induced Desorption - Quadrupole Mass Spectrometer (LID-QMS), utilizza il laser per scaldare la superficie della parete interna del reattore di qualche centinaio di gradi. Questo causa il fenomeno del ‘desorbimento’, un processo simile all’evaporazione. Gli atomi che ‘desorbono’ vengono catturati da uno spettrometro di massa - ovvero uno strumento in grado di distinguere la massa dell’atomo o della molecola - permettendo di quantificare deuterio, trizio, ma anche l’elio prodotto dalla reazione di fusione e ‘intrappolato’ nel componente in studio.