Reattore sperimentale termonucleare internazionale ITER International | |||
Membri di ITER: Unione Europea, Regno Unito, India, Russia, Cina, Corea del Sud, Giappone, Stati Uniti e Svizzera. | |||
Situazione | |||
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Creazione | 24 ottobre 2007 | ||
posto a sedere |
Cadarache Centro Francia |
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Dettagli del contatto | 43 ° 42 ′ 28 ″ N, 5° 46 39 ″ E | ||
Capo | Bernard Bigotto | ||
Sito web | iter.org | ||
Geolocalizzazione sulla mappa: Bouches-du-Rhône
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Il reattore sperimentale termonucleare internazionale , o di ITER ( acronimo di inglese reattore sperimentale termonucleare internazionale , anche la parola latina "percorso" significato o "via") è un progetto internazionale di reattore di ricerca civile in fusione nucleare di tipo Tokamak situato nelle immediate vicinanze della Centro di studi nucleari Cadarache a Saint-Paul-lez-Durance (Bouches-du-Rhône, Francia). Il progetto di ricerca fa parte di un approccio a lungo termine finalizzato all'industrializzazione della fusione nucleare. Associa trentacinque paesi: quelli dell'Unione Europea oltre a India, Giappone, Cina, Russia, Corea del Sud e Stati Uniti, oltre a Svizzera e Regno Unito come uno Stati associati alla Comunità Europea dell'Energia Atomica .
ITER è oggi il più grande progetto scientifico del mondo. Per la sua complessità, la sua ambizione e il suo budget straordinario, questo progetto ad alta tecnologia è stato paragonato al programma Apollo . È oggetto di numerose polemiche, in particolare per quanto riguarda l'importo delle sovvenzioni pubbliche, passato da 5 a 19 miliardi di euro, principalmente contributi in natura degli stakeholder sotto forma di componenti e sistemi.
L'entrata in attività e la produzione del primo plasma è prevista perDicembre 2025e la creazione del primo plasma deuterio - trizio è prevista per il 2035.
Secondo i promotori del progetto, l'approccio a lungo termine finalizzato all'industrializzazione della fusione nucleare richiederebbe poi la costruzione di un secondo reattore di ricerca, Demo , più vicino a un reattore di produzione, quindi PROTO , un prototipo di reattore industriale , prima della fase industriale vera e propria.
"Iter" significa "percorso" o "via" in latino. I partecipanti agli studi di progettazione preliminare (tra il 1988 e il 1992) hanno scelto questa sigla per esprimere il desiderio di vedere il mondo cooperare allo sviluppo della padronanza di una nuova forma di energia. Il progetto è stato infatti lanciato da Ronald Reagan e Mikhail Gorbachev nel contesto della perestrojka , su proposta dell'URSS alla comunità internazionale. La forma del nome è il reattore sperimentale termonucleare internazionale ( "Reattore sperimentale termonucleare internazionale" ).
Il progetto mira a verificare la "fattibilità scientifica e tecnica della fusione nucleare come nuova fonte di energia ".
Il reattore a fusione termonucleare ITER è stato progettato per produrre un plasma da fusione equivalente a 500 MW di potenza termica per periodi da 400 a 600 secondi , per una potenza termica iniettata nel plasma di 50 MW , ovvero un aumento di dieci volte della potenza termica. La macchina mira anche a dimostrare la fattibilità di una reazione autosufficiente, che non è stata ancora realizzata in un reattore a fusione. L' elettricità totale consumata dal reattore e dagli impianti sarà compresa tra 110 e 620 MWe di picco per trenta secondi. Il reattore è progettato solo per produrre plasma di fusione e il calore emesso dalla reazione di fusione sarà scaricato nell'atmosfera senza generare elettricità.
Il progetto è uno step tecnologico che potrebbe portare a un futuro reattore sperimentale, denominato Demo , con una potenza prevista di 2.000 MWth , finalizzato allo sviluppo della produzione industriale di energia elettrica da fusione nucleare. La reazione di fusione è destinata all'uso come fonte di calore per una caldaia che produce vapore acqueo, che a sua volta aziona gli alternatori per produrre elettricità, come nella maggior parte delle centrali elettriche . Demo sarebbe il primo reattore a fusione a produrre più energia del necessario per il suo funzionamento.
Nel 2001, il progetto ITER è stato pianificato secondo i suoi progettisti per un inizio di costruzione vicino a Cadarache (Francia) nel 2006 per il completamento nel 2016. Quindi nel 2008, questa data è stata posticipata al 2019, tre anni in ritardo rispetto al programma iniziale.
Nel 2008 il budget, inizialmente stimato in dieci miliardi di euro (50% per la costruzione e 50% per l'esercizio) è stato aumentato a tredici miliardi e poi nel 2009 a venti miliardi. Nelgiugno 2009, la BBC ha addirittura annunciato sedici miliardi di dollari , una somma che potrebbe incoraggiare i responsabili del programma a ridurre significativamente la portata del progetto.
Nel novembre 2009, questo periodo è esteso a febbraio 2020.
Nel 2010 è stata posata la prima pietra dell'edificio della sede.
Nel 2012 è stato pubblicato il decreto di autorizzazione al progetto ( Gazzetta Ufficiale del10 novembre), due anni dopo l'inizio dei lavori. La fase di scavo della fossa di isolamento sismico è già profonda 17 m (dove sarà il tokamak), sono in costruzione i 493 sostegni alti 1,7 m , dotati di piazzole antisismiche .
Nel Febbraio 2014, la rivista americana The New Yorker pubblica il rapporto di valutazione sulla gestione del progetto. Sono incluse undici raccomandazioni essenziali, tra cui: "creare una cultura del progetto " , "instillare una cultura della sicurezza nucleare " , "sviluppare una pianificazione realistica del progetto ITER" e "semplificare e ridurre la burocrazia" . Nelluglio 2014, il Senato degli Stati Uniti pubblica un rapporto in cui si afferma che "il Comitato ordina al Dipartimento dell'Energia di collaborare con il Dipartimento di Stato per ritirarsi dal progetto ITER" . Tuttavia, gli Stati Uniti (che si erano impegnati a finanziare il 9% del costo totale) hanno continuato il loro sostegno, confermato insettembre 2016per almeno altri due anni (fino al 2018) in vista di un miglioramento dell'efficacia del progetto; ma subordinata a "maggiore trasparenza nel processo di gestione del rischio" e "una serie di riforme gestionali" , previa votazione del bilancio energetico da parte del legislatore statunitense.
È stato annunciato un ritardo di cinque anni: i primi test previsti per il 2020 sono rinviati al 2025.
Nel maggio 2016, Bernard Bigot , direttore di ITER dal 2015, indica che il primo plasma nel reattore è prevista per il 2025 per la piena potenza nel 2035, cioè un nuovo programma che induce un costo aggiuntivo, stimato a 19 miliardi nel bilancio costruzione. NeldicembreIl successo di un cruciale esperimento condotto su un "modello", il mini-reattore termonucleare dell'ECA chiamato West , una ventata di ottimismo: grazie a lui, ITER ha compiuto un passo importante verso la padronanza della fusione nucleare.
Nel dicembre 2017, l'avanzamento delle realizzazioni indispensabili alla produzione del primo plasma raggiunge il 50%; ITER conferma la data stimata del primo plasma:Dicembre 2025 e il primo plasma di deuterio-trizio nel 2035.
Nel 2018 gli Stati Uniti hanno avuto "un certo ritardo nei pagamenti", ma i grandi serbatoi indispensabili alla sicurezza dell'impianto sono arrivati dalla Cina e dagli Stati Uniti e installati negli edifici, entro le scadenze del calendario riprogrammato due anni prima e secondo Mr. Bigot (direttore del progetto) i componenti della costruzione del tokamak "saranno in cantiere nel 2021, in un edificio previsto per la primavera del 2020".
Nel ottobre 2019, il consorzio guidato da Vinci (60%) con la spagnola Ferrovial (30%) e la francese Razel-Bec (10%) annuncia di aver completato l'involucro dell'edificio principale, che sarà consegnato inmarzo 2020. Questo edificio tokamak è un impianto da 23.000 tonnellate, rispetto alle 3.000 tonnellate di un reattore pressurizzato europeo (EPR).
Nel 2020, essendo stati consegnati i componenti da diversi paesi (India, Cina, Giappone, Corea del Sud, Italia), inizia la fase di assemblaggio del reattore 28 luglio e deve durare fino alla fine del 2024 per produrre un primo plasma alla fine del 2025 o all'inizio del 2026.
Cominciare ottobre 1985, Mikhaïl Gorbachev presenta il progetto a François Mitterrand durante la sua prima visita in Francia. Poi un mese dopo al vertice di Ginevra , innovembre 1985, Mikhail Gorbachev convince Ronald Reagan a partecipare al programma internazionale per costruire la prossima generazione di tokamak . L'Unione Sovietica stava lavorando da diversi anni a questo tipo di reattore sfruttando la fusione nucleare , fenomeno che esiste stabilmente nelle stelle .
Nel ottobre 1986, gli Stati Uniti, l'Unione Europea ( Euratom ) e il Giappone concordano di unirsi all'Unione Sovietica in questo progetto. È così che si è deciso di creare ITER, che è posto sotto l'autorità dell'AIEA . Inizialmente, solo quattro membri hanno partecipato: Russia, Stati Uniti, Unione Europea (in associazione con il Canada) e Giappone.
Nel aprile 1988, inizia la fase di progettazione (denominata attività di progettazione concettuale o CDA). Lo scopo di questa fase è stato quello di sintetizzare i risultati dei vari programmi esistenti al fine di integrarli. CDA è finito indicembre 1990.
Nel luglio 1992, a Washington negli Stati Uniti, i quattro membri firmano un accordo che avvia la fase di ingegneria (denominata attività di progettazione ingegneristica o EDA) che dura sei anni. Questa fase termina come previsto alla fine del 1998.
Gli Stati Uniti lasciano il progetto alla fine della fase EDA, perché ritengono questo progetto incerto e rovinoso.
Dopo il ritiro degli Stati Uniti, è stato deciso l'avvio della seconda fase dell'EDA. Lo scopo di questa seconda fase è stato quello di rivedere al ribasso gli obiettivi per tener conto della mancanza di fondi causata dal ritiro degli Stati Uniti. Questa fase termina inluglio 2001.
La fase di coordinamento (denominata attività tecniche coordinate o CTA) termina alla fine del 2002. Il suo scopo era preparare la fase di progettazione e sollevare la questione dell'ubicazione del cantiere, ma anche quelle di finanziamento e il quadro giuridico per la costruzione 'ITER.
Nel gennaio 2003, la Cina aderisce al progetto, seguita a febbraio dal ritorno degli Stati Uniti ea giugno dall'arrivo della Corea del Sud.
Inizialmente sono stati proposti quattro cantieri:
La scelta del sito è stata molto importante politicamente, ma soprattutto economicamente. L'investimento è stimato in dieci miliardi di euro in quarant'anni. Uno studio condotto in Francia nel 2002 prevede che ITER creerà tremila posti di lavoro indiretti durante i dieci anni di costruzione e 3.250 posti di lavoro indiretti durante i vent'anni di attività (di cui circa tre quarti nella regione di Paca).
Dopo una lite franco-spagnola, la Spagna ha ritirato la sua proposta su 26 novembre 2003. Cadarache rimane quindi l'unico sito supportato dall'Unione Europea. La proposta canadese di Clarington è scomparsa da sola a causa della mancanza di fondi reali e di volontà politica da parte dei canadesi, che hanno deciso di aderire al punto di vista dell'UE. Il sito di Cadarache riceve supporto da Cina e Russia mentre il sito di Rokkasho riceve quello di Stati Uniti e Corea del Sud.
Nel maggio 2005, ancor prima che fosse fatta la scelta del sito, il sito di Cadarache sembrava già essere avvantaggiato, tanto che l'Unione Europea ha deciso, qualunque sia la decisione, di iniziare a lavorarci.
Mentre il governo giapponese difende ancora ufficialmente la candidatura del suo sito, suggerisce ripetutamente che non lotterà più per avere il 100% del progetto. Il 5 maggio a Ginevra, in Svizzera, viene firmato un accordo tecnico tra il Giappone e l'Unione Europea, in cui si stabilisce che il paese ospitante (non viene poi fatto il nome) si assumerà il 40% del prezzo della costruzione, mentre il non -il paese ospitante otterrà:
Tutti questi vantaggi si otterranno senza che il contributo aumenti rispetto agli altri soci non ospitanti, pari al 10% del costo di costruzione. Il Giappone poi rinuncia implicitamente a ospitare il reattore, ma vince sotto molti aspetti.
È finalmente a Mosca, il 28 giugno 2005, che viene firmata la dichiarazione congiunta di tutti i membri del programma, che designa Cadarache come luogo di costruzione del reattore. Kaname Ikeda (en) , ex ambasciatore giapponese, nominato direttore generale dell'organizzazione nel dicembre 2005, si insedia nell'ottobre 2007, in occasione dell'entrata in vigore dell'accordo sulla creazione dell'organizzazione internazionale ITER.
il 21 novembre 2006l'accordo definitivo sulla costruzione di ITER viene firmato all'Eliseo , dai rappresentanti di Cina, Corea del Sud, Stati Uniti, India, Giappone, Russia e Unione Europea. Lo stesso giorno, dopo la firma dell'accordo, si è tenuto presso l'International Conference Centre di Parigi il primo Board of Governors di ITER.
La fase di costruzione inizia nel 2007 e durerà dieci anni. La prima fase consiste nel dissodare metà dei 180 ettari del sito, mentre l'altra metà rimane allo stato naturale. Durante questa fase, le indagini archeologiche evidenzia alcune conclusioni di una necropoli del V ° fabbrica di vetro secolo del XVIII ° secolo. Per trasportare le attrezzature necessarie alla realizzazione degli impianti sono in corso di realizzazione 104 km di strade e binari.
il 8 novembre 2019, Vinci annuncia la consegna di parte dei primi fabbricati.
L'inchiesta pubblica relativa alla realizzazione dell'impianto a Cadarache, nelle Bouches-du-Rhône, è aperta (quattro anni dopo l'inizio dei lavori) della15 giugno a 20 luglio 2011nei comuni di: Jouques , Gréoux-les-Bains , Corbières , Beaumont-de-Pertuis , Saint-Julien-le-Montagnier , Sainte-Tulle , Vinon-sur-Verdon , Ginasservis , Rians , Saint-Paul-lès-Durance , Mirabeau e Manosque . Il decreto che autorizza la costruzione dell'impianto nucleare di base ITER appare in Gazzetta Ufficiale il10 novembre 2012.
Nel giugno 2019, la costruzione del futuro reattore sperimentale a fusione nucleare è completata al 60%. Dopo dieci anni di complesse lavorazioni, i componenti più grandi sono quasi finiti e nel 2020 inizierà il loro assemblaggio: un milione di elementi composti da dieci milioni di parti; è iniziata la fase di collaudo in scala reale sulle macchine di assemblaggio.
La gestione di ITER è svolta da un insieme di organi in cui si riuniscono i vari membri.
L'organo principale è il Consiglio ITER. I membri del consiglio sono rappresentanti di tutti i partner.
Questo consiglio è assistito da un comitato scientifico e tecnico (denominato comitato consultivo scientifico e tecnico o STAC) e da un comitato di gestione (denominato comitato consultivo della direzione o MAC).
Paesi membri del progettoNel 2014 i paesi membri del progetto sono:
La svizzera , per la sua associazione con il programma di ricerca europeo, partecipa tramite il progetto Euratom .
Anche il Brasile sta facendo domanda per aderire al progetto. Questo finanziamento aggiuntivo può diventare indispensabile in caso di superamento (frequente nei grandi progetti nucleari) del budget inizialmente assegnato al progetto .
Nel 2007, il Kazakistan ha annunciato di voler essere un membro a pieno titolo del programma, cosa che potrebbe essere fatta, previo accordo dei governi di altri partner.
Il Regno Unito, che lascerà l'Euratom nel 2020 nell'ambito della Brexit , dovrà trovare un nuovo accordo per continuare a partecipare al progetto; i contratti esistenti sono mantenuti.
La fase operativa dovrebbe iniziare nel 2025 (primo plasma ).
L'obiettivo di ITER è riuscire a mantenere fusioni della durata di 400 secondi.
Bernard Bigot presenta, ingennaio 2019, la fase operativa di ITER: dopo il primo plasma nel 2025, verranno installati gli impianti di raccolta dell'energia. Questo importante passo dovrebbe essere completato intorno al 2028. Convaliderà la fase di prefusione, vale a dire la produzione di energia con idrogeno convenzionale, deuterio o elio. Dopo questa fase, la macchina sarà disponibile per diciotto mesi per gli scienziati che desiderano condurre esperimenti. In una seconda fase, a partire dal 2030, verranno installati ulteriori sistemi di riscaldamento, indispensabili per realizzare la fusione del plasma. È il caso del sistema di riscaldamento per iniezione di particelle neutre che permette di accelerare i nuclei di idrogeno ad altissima velocità per aumentare il riscaldamento del plasma in modo da portarlo alla temperatura di fusione di 150 milioni di gradi, temperatura necessaria per plasma autosufficiente. Nel 2032 verrà proposta ai fisici una nuova campagna di lavoro meccanico; parallelamente verrà ultimata la costruzione dell'impianto del ciclo del combustibile, che separerà l'elio prodotto nel plasma dalla fusione dell'idrogeno e riciclerà il trizio e il deuterio prodotti dalla fusione per stoccarli temporaneamente e reimmetterli nella macchina. L'obiettivo è che entro il 2035 ITER raggiunga la sua piena potenza.
Terminata la fase operativa, l'impianto dovrà essere smantellato. I sottoprodotti della fusione nucleare di ITER sono poco o per niente radioattivi, il che non è il caso della camera, che deve essere trattata come dovrebbe per rispettare le norme di sicurezza che saranno poi in vigore. . I rifiuti saranno anche prodotti indirettamente dalla degradazione della camera sotto irraggiamento (radiazione alfa che fuoriesce dal confinamento, neutroni ). Ad esempio, gli atomi di carbonio verranno strappati dalle ceramiche delle pareti, il che porta alla produzione di idrocarburi triziati nel recinto di contenimento. La fase di disattivazione dovrebbe durare cinque anni, poi lo smantellamento a spese della Francia dovrebbe durare dieci anni.
Dopo la fase di esercizio ea seconda dei risultati ottenuti ( superamento o meno del punto di pareggio della produzione di energia), si potrebbe realizzare un altro reattore sperimentale di potenza equivalente ad un reattore industriale. Denominato Demo (per centrale dimostrativa , " centrale dimostrativa "), avrà lo scopo di studiare la possibilità di uno sfruttamento commerciale in senso stretto. Demo dovrà raggiungere la soglia di “accensione” in cui il riscaldamento del plasma viene effettuato dall'energia degli alfa prodotta senza fornitura di energia elettrica.
Bernard Bigot spera “che intorno al 2040 saremo abbastanza convincenti per i produttori da interessarsi alla macchina che seguirà: Demo. Sarà il primo dimostratore industriale, ovvero operante in continuo per la produzione di energia, e che questa volta sarà collegato alla rete elettrica. Dopo dieci anni di consultazioni con i produttori e la progettazione di un reattore che beneficia di tutti i feedback di ITER e Demo, riteniamo che dal 2045 al 2050 possa essere avviata la costruzione della prima centrale elettrica a fusione commerciale. Ci vorranno senza dubbio almeno dieci anni” .
Dopo la Demo , sarebbe stato costruito PROTO , un prototipo industriale di reattore di valore .
Successivamente, possono essere realizzati i primi reattori di applicazione. I prototipi da realizzare sono di notevoli dimensioni e potenza .
ITER è il più grande progetto scientifico al mondo degli anni 2010. Conterrà il più grande reattore a fusione nucleare del mondo quando sarà completato nel 2025. È integrato in un complesso composto da tre edifici, alti 60 metri e larghi 120 metri. Per la sua portata e ambizione, il progetto è stato paragonato al programma Apollo .
ITER è un tokamak , è un reattore a fusione nucleare , destinato a generare energia dal combustibile. Il combustibile viene stoccato sotto forma di pochi grammi di plasma in una camera ad altissimo vuoto di forma toroidale . Questo plasma viene riscaldato a 150 milioni di gradi per innescare reazioni di fusione, che rilasciano energia. Per proteggere la parete termica, il plasma è confinato da un campo magnetico di 13 T , generato da elettromagneti superconduttori mantenuti a -269 °C . Le pareti sono ancora riscaldate dalle particelle risultanti dalle reazioni nucleari e dalla radiazione termica emessa dal plasma, quindi devono essere costantemente raffreddate.
Componenti del reattore Camera sottovuotoLa camera a vuoto è costituita da due pareti in acciaio tra le quali circola l'acqua di raffreddamento. Il volume di plasma che può contenere è più di otto volte maggiore rispetto ai precedenti tokamak. E' forato con 40 fori che permettono di collegare il sistema di riscaldamento al plasma, le pompe per vuoto, e che consentono l'accesso per la manutenzione.
Coperchio della camera del vuotoLa coperta della camera a vuoto è costituita da lastre di rame e ricoperta di berillio . Ha due funzioni. Il primo è assorbire i neutroni prodotti dalle reazioni di fusione e catturarne il calore per trasmetterlo ai sistemi di raffreddamento. Il secondo è la produzione di trizio dal litio . Questa seconda funzione sarà utilizzata solo nelle ultime fasi della ricerca all'interno di ITER, durante le quali verranno testate diverse tipologie di lastre proposte dai gruppi di ricerca. Lo studio dell'autoproduzione di trizio da parte di ITER è uno dei principali temi di ricerca per il passaggio all'industrializzazione della fusione.
Sistema magneticoQuattro tipi di magneti sono coinvolti nel controllo del plasma e della reazione:
Questi magneti sono superconduttori, raffreddati dal sistema criogenico a 4,5 K . Le caratteristiche dei magneti sono riportate nella tabella sottostante.
Materiale conduttivo | Lunghezza di avvolgimento | Massa | Corrente nominale | Campo magnetico | Energia immagazzinata | Costo (previsto nel 2011) | |
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Bobine poloidali | NbTi | 65 km | 2.163 t | 52 kA | 6 T | 4 GJ | 122 M€ |
Bobine toroidali | Nb 3 Sn | 88 km | 6.540 t | 68 kA | 11,8 T | 41 GJ | € 323 milioni |
Solenoide centrale | Nb 3 Sn | 42 km | 974 tonnellate | 46 kA | 13 T | 6.4 GJ | 135 M€ |
Le principali caratteristiche di ITER sono:
Le potenze elettriche in gioco sono importanti e presuppongono l'esistenza di una solida rete elettrica per far fronte alle chiamate di carico.
Il sito di Cadarache è strutturato intorno all'edificio tokamak . Comprende molti edifici annessi destinati alla fabbricazione di alcune parti, all'assemblaggio del reattore e alla sua alimentazione elettrica.
Complesso TokamakQuesto complesso è composto dall'edificio tokamak e da diversi edifici adiacenti. Questi edifici contengono le torri di raffreddamento, le pompe per vuoto, la sala controllo e un sistema di manutenzione robotica che consente di rimuovere o montare a distanza i componenti della camera di combustione, al fine di limitare l'esposizione degli operatori alla radioattività. Il tokamak è montato su cuscinetti antisismici. Uno scudo in cemento armato dello spessore di tre metri blocca le radiazioni che emette e protegge le strutture circostanti. Questo edificio pesa 400.000 tonnellate ed è largo 80 metri, lungo 120 metri e alto 80 metri.
edificio PFL'edificio PF è destinato all'avvolgimento di magneti a campo poloidale troppo grandi per essere assemblati nei paesi partner ( campo poloidale in inglese, abbreviato in PF). Misura 257 m di lunghezza e 49 m di larghezza. La sua costruzione fu completata nelfebbraio 2012 e l'avvolgimento dei magneti inizia nel 2013.
Laboratorio di criostatoL'edificio del criostato è destinato all'assemblaggio dei componenti del criostato , prodotto in India. L'edificio è finito insettembre 2014 e il primo elemento criostato deve essere consegnato in settembre 2015.
Costruzione di assemblaggioNell'edificio di montaggio, gli elementi tokamak sono preassemblati prima della loro installazione.
Si trova vicino alla fossa sismica e al complesso tokamak. È alto 60 metri, lungo 97 metri, largo 60 metri.
Sede centraleL'edificio amministrativo contiene uffici per ottocento persone oltre a sale conferenze e riunioni, un ristorante, una biblioteca, un auditorium e una reality room. La sede di ITER si trova sotto la piattaforma ed è progettata a forma di ala. È stato completato nel 2012, ma nel 2014 è stato finalizzato un ampliamento per aumentare la capacità dell'edificio (fino a 800 persone).
Il primo obiettivo è generare un plasma da fusione equivalente a 500 MWth di potenza termica consumando solo circa 300 MWe di potenza elettrica per 400 s ( 6 min 40 s ), superando così il “ punto di pareggio ”. Il record mondiale è, nel 2020, una potenza termica di 16 MWth generata per una potenza elettrica erogata di 700 MWe , per un secondo, prodotta dal tokamak europeo JET.
Il secondo obiettivo è mantenere le reazioni di fusione nel plasma per almeno 1000 s ( 16 min 40 s ) e fino a 3000 s (50 min ). In questo caso, per 300 MWe forniti, si produrrebbero solo 250 MWth . Il record mondiale di durata è, nel 2020, di 6 min 30 s , raggiunto dal tokamak francese Tore Supra nel 2003.
Altri obiettiviLa fusione è un campo innovativo sia concettualmente che tecnicamente. I problemi da risolvere sono numerosi e molto complessi. Tutti sono stati chiaramente identificati sin dall'inizio del progetto e sono oggetto di intense ricerche da parte di numerosi laboratori in tutto il mondo. Alcune sfide sembravano impossibili da affrontare dieci anni fa. Al giorno d'oggi, anche le più grandi difficoltà presentano assi di prove e prove, che sono proprio l'obiettivo di un reattore sperimentale.
In un fluido in flusso turbolento e sottoposto a campi magnetici intensi , concentrazioni locali del campo magnetico possono creare loop di campo ( disruption mode ). L'esempio tipico sono le protuberanze solari . Lo stesso fenomeno può verificarsi nel plasma e portare alla proiezione di particelle altamente energetiche sulla parete del reattore, fenomeno detto disgregazione . Le conseguenze sono un degrado della parete del reattore, un arresto della reazione e un intenso stress meccanico sulle bobine e sulla struttura.
Si studiano diverse soluzioni. Il primo è aumentare il volume del plasma per stabilizzarlo, quindi in parte il volume del reattore. Le altre soluzioni sperimentate in ITER si basano su un sistema di rilevamento rapido delle interruzioni (ad oggi operativo, ma ancora troppo lento per evitare che alcuni scarichi perturbatori danneggino le apparecchiature) per:
La radiolisi dell'acqua è nota da oltre un secolo. È un problema per tutte le installazioni che utilizzano l'acqua vicino a sorgenti radioattive intense. Data l'intensità delle radiazioni coinvolte, i rischi di radiolisi sui materiali del reattore sono molto elevati su ITER (circa dieci volte superiori a quelli di una centrale nucleare). Possiamo identificare due prodotti particolarmente sensibili:
La sfida è trovare la soluzione ottimale che limiti i rifiuti radioattivi e controllare il flusso di particelle e radiazioni attraverso i diversi materiali. Questo è uno dei principali assi di ricerca intorno a ITER e una delle sue ragioni per esserlo.
Controllo dell'erosione muraria e di alcuni elementi inseriti nel muroGrazie al confinamento magnetico , il plasma è molto caldo nella sua parte confinata ma molto meno caldo alla periferia (cosiddetta area “edge plasma”). La temperatura elettronica del nucleo di plasma magnetizzato raggiunge circa 1 keV , mentre il bordo si mantiene tra 10 e 50 eV . I progettisti del toroide ITER hanno previsto flussi termici medi dell'ordine di un megawatt per metro quadrato per le pareti, ma che possono raggiungere dai 15 ai 20 MW/m 2 localmente o saltuariamente sui componenti più sollecitati delle pareti ” , indicando ad un problema critico di durata della vita ed erosione” .
I flussi di plasma periferico autogenerati controllano in gran parte la migrazione delle impurità metalliche derivanti dall'erosione di queste pareti, ed è possibile che questi flussi possano feedback sui processi di deconfinamento e influenzare l'instaurarsi spontaneo di "barriere di trasporto". , Ma le forti asimmetrie dei flussi sono ancora poco conosciuti. ITER utilizza l'idrogeno e i suoi isotopi , ma l'idrogeno si dissolve in molti metalli e li indebolisce; il fenomeno dell'infragilimento da idrogeno deve in questo contesto essere perfettamente controllato e preso in considerazione.
Durante il funzionamento, e in caso di incidente con presa d'aria, uno dei rischi posti da ITER è la possibile formazione di un'atmosfera infiammabile composta da polvere e idrogeno, in questo contesto esplosivo. Si prevede, infatti, che il plasma contenuto nel contenitore del vuoto (VV) eroderà lentamente le superfici delle pareti composte da tungsteno , berillio e grafite , generando “diverse centinaia di chilogrammi di polvere metallica e particelle di grafite” . Se l'acqua o l'aria entrano nel toroide alle temperature ivi riscontrate, il vapore può reagire con polvere e materiali metallici (principalmente berillio e tungsteno), le cui superfici saranno calde, e reagire producendo idrogeno (per cracking dell'acqua ). Un'esplosione sarebbe una fonte di cariche ad alta pressione .
Prima del 2016 esisteva una letteratura scientifica abbastanza abbondante sul fenomeno della detonazione dell'idrogeno e sulla combustione di miscele a base di idrogeno, evocando in particolare l'importanza delle velocità di combustione laminare, dei tempi di autoaccensione a pressioni di scala e temperature che sono quelle di ITER o anche parametri di detonazione , ma non erano disponibili dati su miscele di gas-nanoparticolato o particolato come quelle fornite nel toro ITER. Questa lacuna inizia a essere colmata con uno studio del 2016, che presenta diversi modelli di reazioni esplosive dovute alla combustione di miscele di polvere metallica-idrogeno-aria in una camera chiusa di questo tipo.
Controllo della deviazione dei rifiutiCome ogni reazione, la fusione produce rifiuti. Il suo processo genera residui di erosione toroidale (centinaia di chilogrammi di polvere metallica) ed elio (prodotti di reazione) nel reattore. Per questo motivo parte del flusso del plasma contenente l'elio deve essere fatto divergere verso il fondo del tokamak. Questo è il ruolo del deviatore, una parte molto sensibile del reattore. I deviatori hanno lavorato in altri tokamak per decenni. Il divertore ITER ha una geometria e una tecnologia di base che è stata a lungo interrotta. D'altra parte, il controllo fine del flusso e dei materiali della parete condizionerà la redditività industriale del sistema, da qui l'importanza della ricerca che verrà svolta attorno a questo elemento.
L' isolamento termico del plasma è stata una grande sfida, perché il plasma riscaldato a tali temperature irradia molto, che corrisponde a una perdita di energia, come un pezzo di ferro riscaldato al bianco (radiazione soprattutto nell'infrarosso, causa essenziale del suo raffreddamento) . Inoltre, non è molto denso, quindi si raffredda molto rapidamente. Nei piccoli tokamak si raggiungono rapidamente temperature dove il plasma perde quasi istantaneamente tutta l'energia che riceve, il che rappresenta un limite di temperatura. Questo limite è troppo basso per poter innescare le reazioni di fusione.
La soluzione consiste nel costruire un reattore più grande, che permetta di aumentare il volume del plasma e quindi di limitarne l'irraggiamento: una quota maggiore di radiazione sarà diretta e ricatturata da un'altra regione del plasma, limitando notevolmente le perdite termiche . . Questa è una delle ragioni principali per le dimensioni e la portata del progetto ITER.
Fornitura di deuterioIl deuterio è lo 0,015% degli atomi di idrogeno e può essere estratto dall'acqua di mare (≈32,4 g/m 3 ) per un costo di circa 4000 €/kg (stima 2001).
Tecnicamente non c'è nessuna sfida tecnologica, e questo problema riguarderebbe solo gli impianti di produzione industriale (e non un reattore sperimentale come ITER).
Fornitura di trizio dal litio GeneraleIl periodo o l' emivita del trizio (12,32 anni) è troppo breve per trovarlo naturalmente se non in minuscole tracce . La conservazione del trizio per lunghi periodi di tempo presuppone periodiche estrazioni dell'elio 3 prodotto dalla radioattività beta ; circa il 5,47% del trizio viene così perso ogni anno. Sappiamo solo produrlo in piccole quantità, soprattutto nei reattori ad acqua pesante , e al costo di tremila dollari al grammo nel 2004. Il mangime al trizio di ITER rappresenta quindi una massa significativa rispetto alle scorte detenute dai principali produttori, India o Canada.
L'inventario totale del trizio su ITER durante il suo funzionamento nella fase nucleare sarà dell'ordine di 2 kg , il che richiederà una gestione specifica per evitare qualsiasi impatto biologico ed ecologico del trizio .
La soluzione proposta, il confinamento del trizio (in bassi volumi e per brevi periodi di tempo), non pone grossi problemi ma una particolare vigilanza è inerente alla manipolazione di un gas radioattivo che può contaminare l'aria e l'acqua ( acqua triziata ). D'altra parte, la generazione in situ di questo trizio è una posta in gioco importante: l'utilizzo del litio nelle celle generatrici di trizio installate nella parete del reattore permetterebbe di generare automaticamente il trizio necessario (per disintegrazione del litio sotto il bombardamento di particelle derivanti dal plasma). Questo è il concetto del muro di trizio .
Generazione di trizioUna delle sfide di ITER è che il reattore produca il trizio di cui ha bisogno, la materia prima per la fusione. Questo trizio è prodotto da una cosiddetta fonte tritogena , il litio :
Idealmente, il neutrone formato dalla reazione deuterio-trizio reagisce con un nucleo di litio, generando così il nucleo di trizio perduto. Tuttavia, in pratica questi neutroni vengono persi in gran parte, a causa del processo. Il neutrone, non avendo carica, è insensibile al confinamento, ed infine il flusso di neutroni è quasi isotropo , cioè disperso. Inoltre è molto veloce alla nascita ( 14,1 MeV ), quindi molto penetrante, e lascia rapidamente il plasma per provocare gravi danni alla struttura, che diventa anche radioattiva, in questo caso per attivazione neutronica .
Equilibrio neutronicoPer rigenerare il trizio esausto è quindi necessario moltiplicare i neutroni di dispersione per compensare quelli assorbiti dalla struttura. Ciò è possibile tramite la reazione di un neutrone su un nucleo di piombo , che rilascia due neutroni. La miscela piombo/litio è quindi prevista per le coperture in tokamak in sostituzione del carbonio, che non era resistente alla rottura e all'erosione da plasma.
Estrazione di elioDurante la fusione, i nuclei di elio prodotti (caricati elettricamente) rimangono nel tokamak e soffocano gradualmente la reazione deuterio-trizio. Occorre quindi estrarre l'elio prodotto dalla miscela deuterio-trizio in modo continuo o più probabilmente periodico, in maniera pulsata; si parla di "pompaggio" di elio. Dal punto di vista del funzionamento continuo, è necessario che questa operazione sia fattibile abbastanza rapidamente, salvo dover mantenere una grande scorta di deuterio trizio.
Infragilimento dei materiali da neutroni velociIl premio Nobel per la fisica giapponese Masatoshi Koshiba ha espresso riserve in vista dei problemi dei neutroni veloci:
“In ITER, la reazione di fusione produce neutroni ad alta energia di 14 MeV , un livello mai raggiunto prima. (...) Se gli scienziati hanno già sperimentato la manipolazione di neutroni a bassa energia, questi neutroni da 14 MeV sono abbastanza nuovi e nessuno al momento sa come gestirli (...) Se devono sostituire gli assorbitori ogni sei mesi, ciò causerà l'interruzione delle operazioni con conseguenti costi energetici aggiuntivi. "
Pierre-Gilles de Gennes teme anche che le bobine superconduttrici non resistano al flusso di neutroni: “conoscendo abbastanza bene i metalli superconduttori, so che sono straordinariamente fragili. Quindi, credere che le bobine superconduttrici utilizzate per confinare il plasma, sottoposte a flussi di neutroni veloci paragonabili a una bomba H, avranno la capacità di resistere per tutta la vita di un tale reattore (da dieci a venti anni), mi sembra una follia. » Allo stato attuale della progettazione, si prevede che la parete e l'acqua di raffreddamento limiteranno notevolmente il flusso di particelle energetiche e che i materiali più sensibili saranno regolarmente sostituiti .
Richard Majeski (it) e i suoi collaboratori hanno pubblicato un metodo che supporterebbe il flusso di neutroni. Questo metodo consiste in una prima barriera di litio liquido con lo scopo di proteggere la seconda barriera che è solida. Questo metodo è stato testato con successo sul reattore di prova Current Drive Experiment-Upgrade (CDX-U) del laboratorio LPP dell'Università di Princeton . Anche le prestazioni del reattore sarebbero state migliorate, essendo stata divisa per quattro la tensione per mantenere la corrente nel plasma.
I fisici, pur favorevoli all'energia nucleare , ritengono che sia prematuro costruire ITER quando le "barriere tecnologiche" non sono state abbattute:
Critiche agli attivisti antinucleari :
Il giornalista americano Steven B. Krivit, specializzato in fusione fredda , stima che ITER consumi 300 MW di elettricità, e non 50 MW come sostengono i funzionari di ITER, per produrre 500 MW di energia termica , che poi ipoteticamente possono essere convertiti in 200 MW di energia elettrica potenza. In altre parole, ITER non potrebbe produrre energia elettrica netta. L'indagine di Steven B. Krivit risale al 1997 e l'impianto JET , il cui coefficiente Q = 0,63 (record mondiale 1997) sarebbe errato. Secondo lui, queste cifre sarebbero state truccate per indurre in errore i decisori e ottenere il finanziamento del progetto.
Un articolo di Reporterre cita le analisi di Steven B. Krivit concludendo che la struttura di ricerca non è in grado di produrre energia in eccesso, l'energia prodotta compensa a malapena l'energia necessaria per il suo funzionamento complessivo. Infatti, le cifre proposte per descrivere la fusione nucleare come fonte di energia (50 kW di energia iniziale danno 500 kW di energia finale) si basano sul bilancio energetico delle particelle coinvolte nella fusione, che non tiene conto tutta l'energia necessaria per creare e mantenere le condizioni che consentano la fusione: raffreddamento dei magneti, confinamento elettromagnetico del plasma... Questa confusione tra rendimento teorico e rendimento reale sarebbe stata accuratamente mantenuta per finanziare il progetto ITER.
Un rapporto della Commissione nazionale francese per il dibattito pubblico del 2006 fornisce una stima precisa del costo energetico dell'impianto: “La potenza elettrica consumata sarà di pochi MW durante il periodo di fermo per la manutenzione dei sistemi informatici, illuminazione, ventilazione ad esempio . Raggiungerà i 120 MW durante il periodo di standby durante il quale le apparecchiature necessarie al funzionamento devono essere operative (sistemi di pompaggio, refrigerazione, criogenia, ecc.). " E " Durante la fase di preparazione, che durerà circa 400 secondi, l'energia elettrica consumata aumenterà gradualmente da 120 MW a 220 MW . Quindi raggiungerà i 620 MW durante la fase di aumento della temperatura del plasma (circa trenta secondi), prima di scendere a 450 MW durante la fase principale dell'esperimento (370 secondi), per poi tornare a 120 MW . " , Mentre lo stesso rapporto indica che l'obiettivo di ITER è dimostrare che "con ITER, l'obiettivo è generare una potenza di fusione di 500 megawatt (MW) iniettandone 50 per più di sei minuti" . Una parte significativa del consumo elettrico è destinata al sistema di raffreddamento che evacuerà la potenza termica generata dal funzionamento di ITER: “Al momento degli esperimenti, deve essere evacuata una potenza termica massima dell'ordine di 1.200 MW . Questa potenza corrisponde alle dispersioni termiche nei vari apparati ITER a cui si aggiunge la potenza prodotta dalle reazioni di fusione” .
Secondo i fisici, tra cui Sébastien Balibar , Yves Pomeau e Jacques Treiner , la realizzazione di un reattore a fusione su scala industriale presuppone la risoluzione di diversi problemi:
Il tokamak ITER affronta esplicitamente solo il primo di questi problemi, sebbene l' International Fusion Materials Irradiation Facility sia stata inclusa nel progetto per studiare la resistenza dei materiali a neutroni da 14,1 MeV .
il 26 gennaio 2012, l' Autorità per la Sicurezza Nucleare (ASN) ha ritenuto che la gestione delle non conformità non fosse soddisfacente durante l'ispezione delle piazzole antisismiche .
Nel 2012 sono state rilevate crepe microscopiche sui muri di sostegno . Un sopralluogo dell'ASN ha mostrato che l'organizzazione interna per il monitoraggio di queste non conformità era ancora una volta fallita. Queste non conformità nel concreto, però, restano inevitabili in un progetto di questa portata che non è un progetto industriale, ma che è oggetto di ricerca .
Il costo di ITER è sceso da 5 a 19 miliardi di euro, a cui si aggiungono 5,3 miliardi di euro di costi operativi in 20 anni, quasi quattro volte le stime del 2006, il che pone problemi di finanziamento a livello europeo. La Francia ha già investito 1,2 miliardi di euro e la Commissione europea 6,6 miliardi . Parte del costo di costruzione del reattore Jules Horowitz può essere associato al costo diretto sostenuto dalla Francia . Infatti, uno degli interessi tecnici di quest'ultimo progetto è quello di testare gli involucri sottoposti al bombardamento dello spettro neutronico intenso, che è un punto chiave da risolvere per la fattibilità del progetto Iter.
A titolo di confronto, il mercato globale dell'energia rappresenta un volume annuo di circa 3,5 trilioni di euro. Il costo del progetto ITER rappresenta il 15% del budget totale dedicato alla ricerca nucleare; in particolare, il contributo della Francia al progetto, previsto per 20 anni , è inferiore a quello assegnato al CERN e al suo acceleratore di particelle .
Secondo i progettisti di ITER, un incidente avrebbe conseguenze notevolmente inferiori rispetto al caso di un reattore a fissione. Infatti, i reattori a fusione nucleare non producono scorie ad alta attività di lunga durata (vedi sotto, “Rifiuti radioattivi”).
I rischi di incidenti nucleari non sono comparabili, perché non c'è rischio di esplosione nucleare: la quantità di combustibile presente nel reattore permette di alimentare la combustione solo per pochi secondi; poiché le condizioni molto specifiche della reazione di fusione sono difficili da ottenere e da mantenere, qualsiasi disturbo provocherà un raffreddamento quasi istantaneo del plasma e un arresto della reazione; il processo di fusione non presenta quindi di per sé alcun rischio e non c'è pericolo di reazione incontrollata che porti ad un'esplosione.
A differenza dei reattori a fissione, dove tutto il combustibile nucleare è posto nel nocciolo del reattore fin dall'inizio (circa un centinaio di tonnellate di uranio e/o plutonio per un PWR ), un reattore a fusione viene alimentato man mano che va in combustibile (pochi grammi) . La reazione nucleare può essere fermata immediatamente: basta smettere di iniettare carburante nella camera a vuoto.
Non vi è inoltre alcun rischio di contaminazione su larga scala: il design di ITER è tale che, anche in caso di rottura accidentale del tokamak, i livelli di radioattività all'esterno del recinto sarebbero comunque molto bassi. durante il normale funzionamento, l'impatto radiologico di ITER sulle popolazioni più esposte sarà mille volte inferiore alle radiazioni ionizzanti naturali, e negli scenari più pessimistici, come un incendio nell'impianto di lavorazione del trizio, nessuna evacuazione delle popolazioni vicine o altre contromisure non sarebbe necessario. La Commissione Europea ritiene che in caso di incidente gli scarichi di effluenti radioattivi, sotto qualsiasi forma, non potranno mai portare, anche in caso di incidente nucleare , a contaminazione radioattiva al di fuori dei confini francesi.
Scorie radioattiveLa quantità, l'attività e la durata delle scorie nucleari saranno notevolmente inferiori. Non c'è produzione di scorie radioattive ad alta attività oa lunga vita. Il prodotto della fusione è l' elio , un gas non radioattivo. Solo i materiali soggetti all'impatto dei neutroni della reazione diventeranno radioattivi, ma l'emivita della maggior parte dei radioelementi presenti in questi rifiuti non supera i dieci anni, per cui la loro radioattività sarà diminuita drasticamente in seguito. vecchio, rendendo possibile il riciclaggio dei materiali. In confronto, le centrali elettriche a fissione producono rifiuti con una durata di vita fino a centinaia di migliaia di anni.
Confronto con una bomba a fusioneLa reazione termonucleare inoltre in corso in una bomba all'idrogeno , la domanda potrebbe sorgere del rischio di esplosione di tale reattore a. Tuttavia, non esiste alcuna connessione tra una bomba H e un tokamak. Nella prima si effettua un'esplosione comprimendo la miscela di trizio e deuterio ad una densità maggiore di quella dello stato solido; in un reattore a fusione, la densità della miscela deuterio-trizio è dieci milioni di volte inferiore a quella dell'aria ambiente.
Rischi di proliferazione e applicazione militareLa ricerca sulla fusione per confinamento magnetico, di cui ITER è una tappa importante, non ha applicazioni militari (a differenza della ricerca sulla fusione inerziale, come svolta sul laser megajoule di Bordeaux). Un paese che padroneggia una tecnologia di tipo ITER non sarebbe ulteriormente avanzato se il suo obiettivo è ottenere un certificato H.
Impatto locale sulla biodiversitàLa centenaria foresta di Cadarache, che prima dell'inizio dei lavori si estendeva per oltre milleduecento ettari, è stata ridotta a ottocento ettari.
Ci sono quasi quaranta specie protette delle quattrocento presenti, come:
Per acquisire questo sito, ITER ha dovuto adottare misure compensative a lungo termine.