ENEA, in collaborazione con Istituzioni europee, ha sviluppato un innovativo sistema laser per l’analisi in-situ delle pareti interne del reattore JET. La tecnologia LIBS consente il monitoraggio remoto e in tempo reale senza interrompere le operazioni. I risultati aprono la strada a nuove applicazioni nei futuri reattori a fusione come ITER e DEMO.
L’innovativo sistema laser per l’analisi in-situ del JET
ENEA, in collaborazione con alcune istituzioni di ricerca europee, ha sviluppato un innovativo sistema laser che, per la prima volta al mondo, ha permesso di studiare in-situ la composizione chimica delle pareti interne del Joint European Torus (JET), uno dei più grandi reattori sperimentali per la fusione nucleare mai realizzati, dopo una campagna sperimentale.
Il Consorzio EUROFUSION
L’attività è stata finanziata dal consorzio EUROFUSION e ha coinvolto, oltre ad ENEA in qualità di uno dei principali partner, prestigiose istituzioni, tra cui: il Forschungszentrum Jülich (Germania), il VTT Technical Research (Finlandia), la United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA), l’Istituto Polacco di Fisica del Plasma e Microfusione Laser (IPPLM) di Varsavia, nonché diverse università europee, tra cui l’Università Comenio di Bratislava (Slovacchia), l’Università di Tartu (Estonia) e l’Istituto di Fisica dello Stato Solido dell’Università della Lettonia.
Un’analisi quantitativa e qualitativa delle pareti interne del reattore
Nello specifico, il team di ricerca ha dimostrato la fattibilità della tecnica LIBS (Laser-Induced-Breakdown Spectroscopy) per il monitoraggio remoto e in tempo reale dei componenti esposti al plasma, senza la necessità di rimuoverli o manipolarli per le analisi. Questa tecnica consente un’analisi qualitativa e quantitativa delle pareti interne del reattore, rilevando anche la presenza di idrogeno e dei suoi isotopi, deuterio e trizio, il combustibile del reattore.
Compatto, leggero e versatile, il sistema sviluppato da ENEA e dai partner europei è stato posizionato all’interno della camera a vuoto del JET, dove ha effettuato analisi in centinaia di punti. I risultati hanno dimostrato che la tecnica è applicabile a qualsiasi campione della prima parete dei reattori, preservandolo pressoché intatto per eventuali analisi successive.
Come funziona il sistema LIBS
Montato sul braccio robotico telecomandato del JET, il sistema LIBS colpisce il campione bersaglio generando una piccola esplosione che vaporizza una sua porzione microscopica. Gli atomi così vaporizzati emettono una luce che, analizzata tramite spettrometria, permette di determinarne la composizione chimica. Salvatore Almaviva, ricercatore del Dipartimento Fusione Nucleare di ENEA presso il centro ricerche di Frascati, coinvolto nello studio, spiega:
“Nei futuri dispositivi di fusione nucleare come ITER e DEMO, di cui JET è stato il precursore più rappresentativo, il plasma può erodere alcune parti della superficie della parete interna del reattore. Il materiale eroso può essere trasportato lontano dall’area di origine e depositarsi in altre zone della parete. Gli esperimenti indicano che il materiale depositato sulle superfici è composto da residui dei materiali strutturali della camera e dal combustibile del reattore stesso, ossia deuterio e trizio. Quest’ultimo, in particolare, deve essere attentamente monitorato per ridurre i rischi operativi e minimizzare la quantità di combustibile immobilizzato nelle strutture del reattore. La tecnica, che si è dimostrata efficace su JET, potrebbe svolgere un ruolo chiave anche nei futuri reattori in costruzione o in fase di progettazione, come ITER, DTT e DEMO”.
Finora, questo tipo di monitoraggio veniva effettuato solo attraverso analisi di laboratorio al termine delle campagne sperimentali. Tuttavia, nei reattori di nuova generazione, il monitoraggio in-situ sarà essenziale per evitare la rimozione degli elementi della parete interna e scongiurare lunghi periodi di fermo impianto.
Bassa contaminazione dei componenti interni
Oltre allo sviluppo e all’impiego del sistema LIBS, ENEA gioca un ruolo chiave anche nell’elaborazione dei risultati sperimentali. Le prime analisi evidenziano una bassa contaminazione dei componenti interni del JET con trizio, ma confermano chiaramente i fenomeni di erosione e rideposizione dei materiali delle pareti interne descritti in precedenza.
La Conferenza sulla fusione nucleare in Slovenia
ENEA è all’avanguardia in questo settore anche grazie alla sua esperienza pionieristica nello sviluppo di sistemi LIBS per dispositivi a fusione. Il primo prototipo operativo di questo tipo è stato infatti sviluppato e testato proprio sul reattore sperimentale FTU (Frascati Tokamak Upgrade), operativo fino a pochi anni fa presso il centro ricerche ENEA di Frascati.
Maggiori dettagli sui risultati del progetto verranno presentati alla 20ª Conferenza Internazionale sui Materiali e Componenti per Applicazioni nella Fusione, che si terrà a maggio 2025 in Slovenia.
