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Nuclear for Climate: Opportunities and Challenges Mariano Tarantino Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department Fusion Technology Development. The Italian Contribution Istituto Tecnico A. Volta, Trieste, Italy

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Page 1: Fusion Technology Development. The Italian Contribution · Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia . Titolo della presentazione - Luogo e data 4. ENEA

Nuclear for Climate: Opportunities and Challenges

Mariano TarantinoFusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department

Fusion Technology Development.The Italian Contribution

Istituto Tecnico A. Volta, Trieste, Italy

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Titolo della presentazione - Luogo e data 2Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Who we are and what we do

Overview on ENEAENEA is the Italian National Agency for NewTechnology, Energy and Sustainable EconomicDevelopment is in the field of:

ENEA Business ModelENEA’s business model:

– Develop innovative products andprocesses to commercial viability

– Provides services to private companiesand public administration

Energy

Sustainability

New Technologies

Nuclear, Renewable, Efficiency, Technology

Materials, Security, Modelling, IT

Environment, Health, Agro-Industrial

Yearly Turnover: €285Mn

Staff:~2,700 FTEs

11 Research Centers

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Titolo della presentazione - Luogo e dataLo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia 3

Department of Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security

Physics Technology Engineering Safety

Gen.IV: Design & Technology Safety Waste Management

Laser & Neutron based Systems for: Security CBRN-E Risks Environment and Medical applications

FUSION(Frascati,

Brasimone)

FISSION(Bologna,

Brasimone, Casaccia)

Security, Health, Environment

(Frascati, Casaccia)

STAKEHOLDERS

EURATOM

FUSION for ENERGY

ITER

NATIONAL & INTERNATIONAL PRIVATE AND PUBLIC INSTITUTIONS

IAEA

OECD-NEA

NATO

MINISTRIES

INDUSTRIESItalian Institute for Ionizing Radiation Measurement (Casaccia)

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Titolo della presentazione - Luogo e data 4Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

ENEA delivers innovation through integrated capabilities andcooperation with industry and academia

Technology EngineeringBasicResearch

Industry Liaison

1 2 3

knowledge Know how integration

Transfer of IP, licenses, etc.

Facilitator between ind., univ. and research agencies

Joint R&D programs

4

INTEGRATION FROM CONCEPT TO EXECUTION THROUGH R&D AND PROTOTYPING

Education & Training

PhDs, Masters, Theses Joint R&D with universities

5

INTE

GR

ATIO

N B

ETW

EEN

ST

AKEH

OLD

ERS

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Titolo della presentazione - Luogo e data 5Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

What is Fusion? Fusion is the process that produces energy

in the core of the Sun and other stars. Temperature in the core of the sun is ~15

million °C, pressure is 300 billionatmosphere

The fusion of light hydrogen atoms (H-H) produces a heavier element, helium Some mass has been lost and great mounts of energy have been gained

A p-p reaction cycle in the core of the sun require more than 1010

(ten billion) years

Every second 1038 p-p cycle takes place

Power density in core is ~ 300 Wm-3

Would need 107 m3 for areasonable power station!

BUT……

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Titolo della presentazione - Luogo e data 6Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Which Fusion…

D-T reaction is initiated at the lowesttemperature (5 keV~58 106 K) and presents thehighest fusion cross-section @ 100 keVlighter

nuclidesheaviernuclides

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Titolo della presentazione - Luogo e data 7Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Fusion & Magnetic Confinement

Typical Temperature 20 keV(150 - 200 million K)

Magnetic Field5-10 Tesla

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Titolo della presentazione - Luogo e data 8Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Fusion Sustainability

Shield

Plasma

Radiation

Neutrons

CoolantFirst Wall

Blanket Vacuum vessel

MagnetsT breeding zone

FUEL

Deuterium can be extracted fromnatural water: SMOW (standardmean ocean water) contains0.016% D

Tritium must be bred internallyfrom lithium

56 kg tritium is required per GW yearof fusion power

Breeding reactions in a fusion reactor

n + 6Li → T + 4He

n + 7Li → T + 4He + n

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Titolo della presentazione - Luogo e data 9Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Fusion Machine….ITER

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Titolo della presentazione - Luogo e data 10Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

What will ITER do?The essential objectives of ITER are :

Produce a plasma dominated by α-particle heating; Produce 500MW of fusion power;

The world record for fusion power is held by the European tokamak JET is 16 MW, total input power 24 MW (Q=0.67);

Produce a significant fusion power factor Q≥10 500 MW of fusion power from 50 MW of input power, for long pulses (400-600 s)

Demonstrate integrated operation of technologies for a fusion power plant (i.e. Superconducting magnets, remote handling,….)

Test concepts for a tritium Breeding Blanket

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Titolo della presentazione - Luogo e data 11Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

ENEA Capabilities

Experimental Physics

World Record of plasma density with Frascati Torus and Frascati Torus Upgrade (two highmagnetic field tokamaks)

FusionTheory

Among first to formalize a predictive plasma model (“first principle code”, excellence recognizedby US SciDAC)

RemoteMaintenance

New unique technology to perform optical measurements in extreme environments (i.e. highradiation, low accessibility)

High HeatFlux Technology

World record of Critical heat flux (35 MW/m2, twice as much as rocket engine power at take off)

Fusion FuelCycle

Neutronics

Breakthrough in fuel cycle technology allowing reduction in inventory of factor 3x-4x throughimproved tritium recovery and separation

Worldwide reference Lab on neutron database for: neutron shielding, tritium breeder and diagnosticdesign

World record:80 kA in a 43 mm dia cable ( sufficient for 8000 houses) Super-Conductivity

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Titolo della presentazione - Luogo e data 12Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

ITER Industrial Liaison Office

ENEA is playing the role of Industrial Liaison Officer towards F4E for ITER construction, facilitating industry participation

More than 500 PMI involved Almost 1000 million euros the value of the high-tech contracts assigned to Italian Industries

ITER

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Titolo della presentazione - Luogo e data 13Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

MagnetsThe ITER magnet system consists of 3 main coils

sub-systems:

18 Toroidal field coils (TFC)

A central solenoid (CS)

6 Poloidal field coils (PFC)

Industrial Partnership

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Titolo della presentazione - Luogo e data 14Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Industrial PartnershipRADIAL PLATES SERIES FOR ITER TF COILS

Winding Pack

Cover Plates

Super-ConductingCable

RadialPlate

Toroidal Field Coil

The Radial Plates are the D-shaped stainless steelplates to contain the superconducting cables of ITERTF coils

Large size 13.8m x 8.7m x 110mm Very tight tolerances (Planarity < 1 mm)

High technology welds in AISI 316 LN tested at -269°C

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Titolo della presentazione - Luogo e data 15Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Industrial PartnershipITER Vacuum VesselThe AMW consortium (Ansaldo – Mangiarotti – Walter Tosto) is in charge of the manufacturing of sevensectors (7 out of 9) of the Vacuum Vessel for the ITER project .

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Titolo della presentazione - Luogo e data 16Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Industrial Partnership

Study, design and construction of robots for vacuum chamber tile repair/maintenance

Conceptual design of ITER In Vessel Viewing System (IVVS) and Glow Discharge Cleaning (GDC)

First Wall, Support Beam, and Vacuum Vessel Thermo-mechanical analysis (RCC-MR) for ITER

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Titolo della presentazione - Luogo e data 17Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Industrial PartnershipFusion Technology Supporting Facility

Experimental plant for Tritium extraction (TRIEX)

Integrated European Lead Lithium Loop (IELLLO)

Test HAmmer in Lead LithIUM (THALLIUM)

LIFUS5 Mod3

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Titolo della presentazione - Luogo e data 18

ITER Activities

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Site infrastructure, July 3rd, 2017

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Engineering Design of HCLL and HCPB TBMs

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Completion of the Conceptual Design and the Preliminary Design of Helium Cooling System (HCS) PbLi loop Coolant Purification System (CPS) Tritium Removal System (TRS) & Tritium Extraction System

(TES)Consolidation of technical interfaces with ITERRadiation protection, releases during maintenance, accident analyses

Port Cell #16 of ITER: TRS, Pb-Li loop, HCS

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Design of TBM Ancillary Systems

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This activity deals with the design on European TBM ancillaries (Cooling and Tritium systems) and theirintegration in ITER

ENEA coordinates a consortium with KIT and other partners as subcontractors (TPI, Wigner, CV-Rez,Palermo University, CREATE)

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Helium Cooling System Layout in CVCSLo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Design of TBM Ancillary Systems

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Lead Lithium Eutectic Loop Integration in ITER

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Tritium Extraction System Qualification

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Investigation on TES for LLE blankets with different Technologies: GLC, PAV, VST

TREIX-II Facility

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

GLC mock-up was qualified in TRIEX-II loop in 2019 showing a tritium extraction efficiency up to 44% PAV mock-up will be qualified in 2020 in TRIEX-II loop

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Tritium laboratory

1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

10-3

10-2

10-1

Ks (m

ol m-3 P

a-1/2 )

1000/T (K-1)

This experiment Linear fit of experimental data

_._._. Reiter data

350 400 450 500 550 600 650

Literature data (absorption technique)

T (°C)

RTs eK

12844

237,0−

⋅= [mol m-3 Pa-1/2]

PbLi Cleaned surface

Membrane sensor

Ceramic crucible

Thermocouples

HYperQuarch facility can measure Sieverts’ constantin PbLi and qualify the sensor devoted to measure Q2concentration in PbLi

New H2 permeation sensors:Test In PbLi: Tungsten crucible + upper flange cooling system

Sieverts’ constant

23Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

HCLL in-TBM LOCA

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The object is to experimentally investigate, supported by numerical tool (RELAP5-3D), the pressurization of LLE loop due toHCLL in-TBM LOCA .

Pressurization and the compression wave propagation into the LLE loop in case of injection of helium at 80 bar,400°C due to the rupture of a cooling plates.

Demonstrate capability of RELAP5-3D © to model single and two-phase (two fluid) wave propagation (fasttransients in liquid metal loop)

THALLIUM test section

THALLIUM DESIGN PARAMETERS

PbLi volume 150 lt

PbLi temperature 400 °C

He injection pressure 80 bar

He injection mass flow 0,1-0,4 kg/s

Design pressure 80 bar

Pressure trend in the first 150 s

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data 25

DEMO Activities

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Lithium Lead Eutectic Technology

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ENEA is the coordinator of the LLE Technologies in EUROFUSION, which is organized as follow:

LLE Loop Design & Analyses (ENEA, CVR)

MHD Analyses and code validation (KIT, CIEMAT)

Corrosion (ENEA, KIT, CIEMAT, CVR)

Coolant Chemistry & Purification (ENEA, CVR)

ENEA is involved also in Tritium Technologies:

Consolidated model T transport in Breeding Unit for HCLL and WCLL

Tritium Extraction from LLE (with H)

Permeation Against Vacuum (PAV)

Vacuum Siever Tray (VST)

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Lithium Lead Eutectic Technology

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LLE loops integration in Tokamak building

Cryogenicsystem/horizontal tank

NeutralbeamHeat transfer system

AREVA GmbH –Paul-Gossen-Straße 100 –91052 Erlangen, Germany

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Lithium Lead Eutectic Technology

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Antipermeation/corrosion PLD coating developed by IIT/ENEA

Permeation Tests performed on PLD coating:

Hydrogen permeation through PLD coated samples at 823 K and 923 K, Hydrogen partial

pressure 100mbar.

PLD process

LLE corrosion after 1000h, 550°C

PERI II facility (ENEA)

NO corrosion

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data 29

Components and instrumentation characterization in LLE

Vortex flow meter

Permanent magnet pump

Differential pressuretransducer

Air cooler

Thermal massflow meter

Coriolis massflow meter

EconomizerA. Venturini et al., P1-125

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

WCLL Breeding Blanket Design

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Objective is to deliver feasible and integrated concept design of the WCLL BB for DEMO Plant at the Concept Design Review meeting

WCLL BB has to withstand severe operating conditions, ensuring (1) 3H self-sufficiency, (2) n-shielding and (3) coolant temperatures for an efficient power conversion cycle

WCLL BB features: (1) water as coolant; (2) Pb-15.7Li as breeder, n-mult and carrier; (3) Eurofer97 as structural material

Breeding blanket Establishing rationale and developing solutions

of WCLL BB 2015 design

WCLL BB 2015

Analyses of the design solutions and feedbacks

CFD

Finite Element

TMMCNP

Improvement of the design and exploiting alternative solutions

Toroidal

450

IB m

odul

e80

0 O

b m

odul

e

Back supporting structure

WCLL BB 2016

Analyses of the NEW

design solutions

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data

WCLL Safety Analysis: in-box LOCA

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Objectives: to address the safety issues connected with PbLi/water interaction in WCLLBB in-box LOCA:• developing a reliable numerical tool for deterministic safety analysis of WCLL BB

in-box LOCA (SIMMER code for fusion application)• applying a standard code validation methodology to SIMMER code• designing and implementing a new experimental campaign in LIFUS5/Mod3

addressed to code validation

Storage tanks Water injection valves S1_B reaction vessel

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data 3232

Test Matrix• Main design parameters: 200 bar - 500 °C• Injector orifice diameters: 1 - 8 mm

• 2 Fast injection valves (opening time >250 ms)

• 4 fast pressure transducers (10 kHz)

• 5 Strain gauge (10 kHz)

• 74 type thermocouples in S1B TS (40 Hz)

• 1 level meter in the storage tank and 1 DP meter in S1B

• Dedicated Hydrogen system measurement

# D orifice[mm]

P inj[bar]

Injected H2O[g]

T H2O[°C]

T PbLi[°C]

1 4 155 50 295 330

2 4 155 50 330 330

3 4 155 50 295 450

4 4 155 100 295 330

5 4 155 150 295 330

Circumferential SG Axial SG

Radial SG

PT

74 TC 0.5 mm

LLE-water interaction: LIFUS5/Mod3 facility

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Titolo della presentazione - Luogo e data

WCLL Balance Of Plant

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Objectives

to perform power conversion studies for a Water Primary Heat Transfer System and aPower Conversion System. The reference configuration includes the integration of anEnergy Storage System (working with HITEC) to cope with the pulse operation ofDEMO

to perform R&D studies (experimental and numerical) about PbLi/water steamgenerators

Numerical tools. RELAP5/Mod3.3 versionmodified with water, HITEC and PbLi fluidproprieties

Experimental infrastructure. CIRCE facility @CR Brasimone

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data 34

Divertor Tokamak TestFacility

Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

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Titolo della presentazione - Luogo e data 35Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

DTT Goal

One of the main challenges in the European fusion roadmap is to design a heat andpower exhaust system able to withstand the large loads expected in the divertor ofa DEMO fusion power plant.

In parallel with the programme to optimise the operation with a conventional divertor basedon detached conditions to be tested on the ITER device, a specific project has beenlaunched to investigate alternative power exhaust solutions for DEMO, aimed at thedefinition and the design of a Divertor Tokamak Test facility.

DTT should retain the possibility to test different divertor magnetic configurations,liquid metal divertor targets, and other possible solutions for the power exhaustproblem. The DTT design proposal refers to a set of parameters selected so as to haveedge conditions as close as possible to DEMO, while remaining compatible with DEMObulk plasma performance in terms of dimensionless parameters within a set of constraintsrelated to flexibility and costs.

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Titolo della presentazione - Luogo e data 36Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

CDA +EDA

Inductive

Baseline

Low capital cost and long term technologies

Construction Operation

Stellarator optimization

CFETR (CN) FNS (US)

European MST + IC

1. Plasma Operation

2. Heat exhaust

3. Materials

4. Tritium Breeding

5. Safety

6. DEMO

7. Competitive Cost

8. StellaratorBurning Plasma Stellarator

2010 2020 2030 2040 2050

DEMO decision Fusion electricity

ITER Test blanket programmeParallel Blanket Concepts

European MST +linear plasma + DTT + IC

Advanced configuration and materials

Steady state

DTT

European Roadmap

DTT Facility aiming at supporting DEMO development.

Complementary to ITER

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Titolo della presentazione - Luogo e data 37Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

DTT Partnership

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Titolo della presentazione - Luogo e data 38Lo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia

Status of the Project

Italian Government committed in supporting the Project

Project approved and funded by EUROFUSION

Funds available

Design and Construction started in Frascati (ENEA RC)

Licensing Ongoing

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Titolo della presentazione - Luogo e data

Mariano [email protected]

Titolo della Presentazione – Luogo e dataLo sviluppo della tecnologia della fusione: il contributo dell’Italia