Nucleare: fusione, da ENEA innovativo sistema laser

ENEA, in collaborazione con alcuni enti di ricerca europei, ha sviluppato un innovativo sistema laser che, per la prima volta al mondo, ha consentito di studiare la composizione chimica delle pareti interne del Joint European Torus (JET), uno dei più grandi reattori sperimentali a fusione nucleare mai costruiti.

L’attività è stata finanziata nell’ambito del Consorzio EUROfusion e ha coinvolto, oltre a ENEA quale partner di primo piano, prestigiose istituzioni, tra cui: gli enti di ricerca Forschungszentrum Jülich (Germania), VTT Technical Research (Finlandia), UKAEA - Autorità per l’energia atomica del Regno Unito, IPPLM - Istituto polacco di fisica del plasma e microfusione laser di Varsavia (Polonia), nonché alcune università europee quale la Comenius University di Bratislava (Slovacchia), l’Università di Tartu (Estonia) e l’Istituto di fisica dello stato solido dell’università della Lettonia.

Nello specifico, il team di ricerca ha dimostrato la fattibilità della tecnica LIBS (Laser-Induced-Breakdown Spectroscopy) per il monitoraggio a distanza e in tempo reale dei componenti esposti al plasma, senza rimuoverli o manipolarli per essere analizzati. La tecnica adottata permette di effettuare un’analisi qualitativa e quantitativa delle pareti interne del reattore, rilevando anche la presenza di idrogeno e dei suoi isotopi, deuterio e trizio^[1], il combustibile del reattore.

Compatto, leggero e versatile, il sistema realizzato da ENEA e dai partner europei è stato posizionato dentro la camera da vuoto del JET, dove ha effettuato le analisi in centinaia di punti, dimostrando che la tecnica è utilizzabile su qualsiasi tipo di campione della prima parete dei reattori e che è in grado di preservarli, sostanzialmente integri, per analisi successive.

Installata sul braccio robotico a controllo remoto del JET, il sistema LIBS colpisce il campione-bersaglio generando una piccola esplosione che ne vaporizza una microscopica porzione. Gli atomi del bersaglio così vaporizzati emettono una luce che analizzata da un sistema spettroscopico ne determina la composizione chimica.

“Nei futuri dispositivi a fusione nucleare come ITER e DEMO, di cui il JET è stato il precursore più rappresentativo, il plasma può causare erosione in alcune parti della superficie della parete interna del reattore, il materiale eroso può essere trasportato lontano dalla zona di origine e depositato in altre zone della parete”, spiega Salvatore Almaviva, ricercatore del Dipartimento Nucleare dell’ENEA del centro ricerche di Frascati, coinvolto nello studio. “Gli esperimenti indicano che il materiale depositato sulle superfici è composto da residui dei materiali strutturali delle pareti della camera e dallo stesso combustibile del reattore, ovvero deuterio e trizio: quest’ultimo, in particolare, deve essere monitorato attentamente per ridurre i rischi nelle operazioni e minimizzare la quantità di combustibile immobilizzato nelle strutture del reattore. La tecnica che si è dimostrata efficace sul JET potrebbe avere un ruolo importante anche per i futuri reattori in costruzione o in progetto quali ITER, DTT e DEMO”, conclude Almaviva.

Finora questo tipo di monitoraggio veniva realizzato tramite analisi di laboratorio al termine delle campagne sperimentali, ma nei reattori di prossima generazione sarà fondamentale il monitoraggio in-situ, condotto senza rimuovere gli elementi della parete interna, in modo da non compromettere l’operatività del reattore evitandone il fermo per lunghi periodi. 

Oltre che nello sviluppo e nell’impiego del sistema LIBS, ENEA sta avendo un ruolo di primo piano anche nell’elaborazione dei risultati sperimentali che, da un’analisi preliminare, evidenzia una scarsa contaminazione dei componenti interni del JET con trizio, ma mette in chiara evidenza i fenomeni di erosione e ri-deposizione dei materiali delle pareti interne descritti in precedenza.

ENEA è in prima linea in questo settore anche per la sua esperienza pluriennale pionieristica nell’ambito dello sviluppo di sistemi LIBS per i dispositivi a fusione: il primo prototipo operativo di questo genere è stato infatti sviluppato e testato per la prima volta in assoluto sul reattore sperimentale FTU (Frascati Tokamak Upgrade) operativo fino a pochi anni fa presso il centro ricerche ENEA di Frascati.

Ulteriori dettagli sui risultati del progetto saranno presentati alla 20ª Conferenza Internazionale sui Materiali e Componenti per Applicazioni di Fusione che si terrà a maggio 2025 in Slovenia.