ENEA - Giovedì della cultura scientifica - 18 dicembre 2003

1. ENEA - Giovedì della cultura scientifica - 18 dicembre 2003 TRADE - TRIGA Accelerator Driven ExperimentProssimo passo per la validazione del concetto di ADS Stefano Monti (a nome della collaborazione internazionale TRADE) Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 1

2. Dai primi esperimenti sulla fisica degli ADS a MUSE, a TRADE • Motivazione dell’esperimento • Principali obiettivi  esperimenti effettuabili in TRADE • Descrizione della facility TRADE • Stato del progetto e attività progettuali e sperimentali in corso • La collaborazione internazionale TRADE • TRADE ed il VI Programma Quadro Europeo • Diagramma temporale Sommario Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 2

3. Esperimento FEAT (First Energy Amplifier Test) 3.5 tonnellate di U naturale metallico fortemente sottocritico iniettate da una sorgente neutronica di spallazione ottenuta per interazione del fascio protonico dell’acceleratore PS del CERN contro un target di U naturale o piombo (misure di potenza e flussi n  validazione codici MC) TARC (Transmutation by Adiabatic Resonance Crossing). Seconda serie di esperimenti per studiare l’effetto TARC dei neutroni in una matrice di piombo con alcuni campioni di materiale da trasmutare (Tc-99). L’esperimento ha dimostrato che in una matrice di piombo si possono ottenere condizioni di flusso e spettro neutronici molto efficaci per “bruciare” qualsiasi tipo di nuclide che presenti risonanze nelle sezioni d’urto neutroniche. 1994 – 1998: Primi esperimenti sulla fisica degli ADS promossi e guidati da Carlo Rubbia al CERN Esperimento nTOF misura di sezioni d’urto neutroniche rilevanti per la trasmutazione ed il progetto degli ADS. Anche la facility nTOF fa uso del Proton Synchrotron (PS) del CERN, che invia protoni a 20 GeV su un target circondato da 5 cm di acqua. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 3

4. Accoppiamento fra una sorgente neutronica pulsata (GENEPI) basata su reazioni (D,D) e (D,T) con il reattore “a potenza 0” MASURCA (Maquette Surgénératrice Cadarache) presso il centro CEA di Cadarache. In MASURCA possono essere realizzate differenti configurazioni di sistemi sottocritici in spettro neutronico veloce (diversi combustibili e fluidi di raffreddamento). 1998 – 2003: Esperimento MUSE • Limiti di MUSE: • La sorgente neutronica esterna non è di spallazione; • La potenza è “quasi-zero”  no contro-reazioni di potenza Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 4

5. Motivazione dell‘esperimento TRADE • TRADE – che nasce anch’esso da un’idea di Carlo Rubbia - intende affrontare il cosiddetto secondo livello di validazione del concetto di ADS  accoppiamento dei vari componenti di un ADS – acceleratore, bersaglio di spallazione, reattore sottocritico – in un sistema “a scala reale” e a potenza significativa, utilizzando per quanto possibile reattori esistenti adattati allo scopo. • L’interesse per un tale tipo di esperimento risiede nella possibilità di dimostrare per la prima volta l’operabilità - in sicurezza e con la necessaria affidabilità – di un ADS, dallo start-up alla potenza nominale fino allo shut-down, in presenza di controreazioni di potenza  TRADE completa la conoscenza sulla fisica degli ADS Inoltre TRADE permette di studiare: • Il raffreddamento congiunto di un target e di un sistema sottocritico • Alcune soluzioni ingegneristiche di interesse generale per gli ADS quali la progettazione di una linea di trasporto del fascio in un reattore, l’accoppiamento della linea di trasporto col sistema target, il problema dei magneti che guidano il fascio verso il reattore; • L’interfaccia fascio protonico - target (beam trips, whobbling, ecc.) • I problemi specifici di schermaggio e attivazione di un ADS; • Le procedure autorizzative per il licensing di un ADS Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 5

6. SISTEMA SORG. CINETICA CONTROR. POTENZA MUSE DD/DT VELOCE NO TRADE DD/DT TERMICO NO TRADE SPALL TERMICO NO TRADE SPALL TERMICO SI ADS SPALL VELOCE SI Sequenza di validazione di un ADS Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 6

7. La cinetica TRADE è significativa anche se TRIGA è un reattore termico!!! La risposta del sistema ad una variazione della sorgente esterna, per un dato livello di sottocriticità r, è data da: P(t) = veloce [t, r, L] dove L (tempo di generazione dei n pronti) dipende dalla natura del sistema (termico/veloce) + ritardata [t, r, l] dove l (tempo di decadimento dei nuclidi che generano i n ritardati) dipende dalla natura del combustibile (U235/Pu239/...) + asintoto dipendente dalla sorgente esterna Ciò implica che la parte ritardata può non differire, in principio, fra sistemi veloci e termici. Questo è uno dei principi base della rappresentatività di TRADE. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 7

8. L'esempio di una sorgente pulsata quadrata: la risposta veloce I plateaux sono denominati salti pronti e sono proporzionali a r($)/(r($)-1) Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 8

9. L'esempio di una sorgente pulsata quadrata: la risposta ritardata Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 9

10. Se si considera la dipendenza della reattività dalla temperatura: a causa dei forti coefficienti negativi di temperatura di un TRIGA si ottiene: La relazione indica che un DT10 °C in TRIGA (1 MW) produce una controreazione rappresentativa di un DT100 °C in un XADS (80 MW). Questo è un altro principio base della rappresentatività di TRADE. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 10

11. Esperimenti più rilevanti effettuabili in TRADE • Regime dinamico di un ADS: la possibilità di operare ad alcune centinaia di kW di potenza ed a differenti livelli di sottocriticità permetterà di validare sperimentalmente il comportamento dinamico del sistema e di definire il livello di sottocriticità ottimale per il dimostratore di ADS e, per estrapolazione, del trasmutatore di taglia industriale. • Correlazione fra potenza del reattore e corrente di protoni fornita dall’acceleratore. Tale potenza potrà essere studiata a differenti livelli di sottocriticità e di potenza • Controllo della reattività mediante differenti metodi, in particolare variando l’importanza della sorgente neutronica, mantenendo costante la corrente dei protoni • Compensazione della reattività del sistema mediante movimento delle barre di controllo o variando la corrente dei protoni • Determinazione delle procedure di start-up e di shut-down di un ADS • Sviluppo di tecniche di misure e di strumentazione e sistemi di acquisizione specifici per un ADS + campagna sperimentale propedeutica all’installazione dell’acceleratore con sorgenti neutroniche di Cf, Am-Be, DD e DT Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 11

12. Perché usare un TRIGA per un tale tipo di esperimento? • I TRIGA sono noti per le loro particolari caratteristiche di sicurezza intrinseca legate al combustibile utilizzato (elevati coefficienti negativi di temperatura) • Il TRIGA RC-1 della Casaccia ha la “giusta” potenza (1 MW) per un esperimento come TRADE • E’ un reattore a piscina per cui: • E’ semplice realizzare diverse configurazioni di nocciolo (in particolare configurazioni sottocritiche) • Ha già un canale centrale che può essere facilmente modificato per ospitare un bersaglio di spallazione e il relativo sistema di raffreddam. • E’ relativamente semplice modificarne le strutture per permettere l’accoppiamento con la linea di trasporto del fascio protonico. • Il TRIGA-RC1 è in ottime condizioni e perfettamente in grado di ospitare un esperimento!!! Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 12

13. Lay-out della Facility TRADE Elemento di combustibile Sezione nocciolo Sistema target Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 13

14. The TRADE Facility - Cross Section Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 14

15. Realizzazione della facility TRADE e suo utilizzo • Progettazione, realizzazione ed installazione dell’acceleratore, della linea di trasporto del fascio, della test station; realizzazione di un nuovo edificio per l’acceleratore • Progettazione e realizzazione delle modifiche al reattore TRIGA al fine di ospitare l’esperimento TRADE • Analisi neutroniche e termo-idrauliche del sistema nocciolo-target, fisica del target, studio transitori di nocciolo e di impianto, ecc. • Progettazione, realizzazione e test di qualifica del bersaglio di spallazione • Sviluppo e acquisizione di strumentazione per la misura ed il controllo della reattività; diagnostiche del reattore e dell’acceleratore • Analisi di sicurezza ed incidentali (rapporti di sicurezza per APAT) • Pre-test e misure in pila per la caratterizzazione del nocciolo TRADE • Commissioning della facility fino alla piena potenza • Effettuazione ed interpretazione della sperimentazione TRADE vera e propria sia in condizioni stazionarie che in condizioni di transitorio operazionale • Trasposizione dei risultati della sperimentazione TRADE e del licensing dell’esperimento al progetto di un “European Transmutator Demonstrator” (ETD) Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 15

16. Principali parametri del nocciolo TRADE per vari valori dell’energia dei protoni Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 16

17. Ciclotrone SC - 230 MeV H2+ 0.5 mA Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 17

18. L’ipotesi di un ciclotrone da 300 MeV a settori separati • Le caratteristiche principali del ciclotrone da 300 MeV: • Normal conduttore • 6 settori • 4 cavità • RF a 70.4 MHz • 10ma armonica • La corrente necessaria per TRADE è in tal caso di appena 100-130 microA Lo schermaggio della linea di trasporto del fascio è realizzato con blocchi di calcestruzzo che poggiano su una struttura che distribuisce il peso sul pavimento dell’edificio TRIGA. La linea di trasporto del fascio si estende orizzontalmente all’altezza della parte superiore del reattore TRIGA. Questo garantisce un buon allineamento dei vari componenti della linea. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 18

19. Accoppiamento linea di trasporto del fascio – sistema sottocritico Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 19

20. Accoppiamento linea di trasporto del fascio – sistema target 7 nA 100 nA La parte critica della sezione finale della linea di trasporto dove si concentrano le perdite del fascio protonico è composta da due “bending magnets”. La progettazione dei magneti è resa complessa dal fatto che sono immersi in acqua e dalla necessità di limitarne il peso e di minimizzare gli spazi per la loro installazione. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 20

21. il bersaglio di spallazione • E’ il “componente chiave” di ogni concetto di ADS. • Per TRADE, viste le potenze in gioco (20-40 kW), è possibile utilizzare un target solido. • In tal caso i materiali più promettenti - testati anche in altre facility internazionali - sono il tungsteno con guaina ed il tantalio “nudo”. • La soluzione di riferimento per TRADE è un target in Ta di forma conica per ottimizzare la sorgente di spallazione e la rimozione del calore. • La soluzione è frutto di un lungo processo iterativo di ottimizzazione che tiene conto di: • Fabbricabilità • Spazi a disposizione • Caratteristiche del fascio protonico • Sorgente n che inietta il core sottocritico • Distribuzione di potenza e rimozione del calore • Stress termo-meccanici • Danneggiamento dovuto all’irraggiamento p e n • Rispetto delle condizioni di sicurezza del TRIGA Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 21

22. Il target più “ciccione” possibile Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 22

23. Raffreddamento del target Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 23

24. Circuito di raffreddamento del target Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 24

25. Fase I - Esperienze preliminari senza acceleratore • Caratterizzazione del reattore TRIGA in nuove configurazioni, simili a quelle pianificate per l’esperimento TRADE • Caratterizzazione delle configurazioni sottocritiche previste in TRADE • Valutazione delle condizioni di sicurezza per il funzionamento • del reattore • Misure di parametri di controreazione • Determinazione dei parametri di generazione dei neutroni • Studi del comportamento del sistema in presenza di transitori, • assimilabili a discontinuità di funzionamento dell’acceleratore • Inizio: Ottobre 2003 • Completamento: fine 2004 Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 25

26. Caratterizzazione Configurazioni Sottocritiche TRADE Settimana 41/2003 Settimana 43/2003 16 diverse configurazioni di nocciolo 40 misure con 7 rivelatori Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 26

27. Misura dei Parametri di Controreazione 10 + 10 Termocoppie Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 27

28. Studio di transitori assimilabili a discontinuità di funzionamento dell’acceleratore Inserzione di reattività positiva Inserzione di reattività negativa Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 28

29. Fase II – Start-up dell’acceleratore accoppiato al reattore • Caratterizzazione della linea di trasporto dei protoni • Allineamento dei componenti • Valutazione perdite del fascio • Efficienza delle schermature • Caratterizzazione del target e, in particolare, della sorgente neutronica di spallazione nel reattore scarico • Caricamento graduale del combustibile nel reattore • Nel 2008 Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 29

30. Stato del progetto • Nel 2002 è stato concluso lo studio di fattibilità. Presentazione dell’esperimento alla comunità internazionale (Workshop TRADE a Roma di giugno 2002). • Nel 2003: • studi concettuali delle varie parti della facility; • attività di qualifica dei metodi e codici di calcolo; • intensa campagna sperimentale nel TRIGA non modificato • Lay-out generale della facility • Analisi neutroniche delle varie configurazioni TRADE • Benchmark di neutronica e di dinamica nocciolo per qualificazione codici nucleari • Analisi termo-idrauliche del nocciolo e del target, sia in circolazione naturale che forzata • Progetto concettuale del target e del suo sistema di raffreddamento • Programma di qualifica sperimentale del target da effettuarsi presso FzK-Karlsruhe • Progetto concettuale di due acceleratori di protoni (ciclotroni) alternativi • Progetto concettuale della linea di trasporto del fascio • Calcoli di schermaggio, attivazione, ecc. • Problematiche di sicurezza e licensing  richiesta di modifica e prime interazioni con APAT • Definizione dell’intero programma sperimentale e selezione catene di misura in pila • Rappresentatività degli esperimenti • Valutazione tempi e costi Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 30

31. Il gruppo di progetto TRADE • Studio di fattibilità (2001-2002): gruppo di lavoro ENEA-CEA + contributi da CERN e ANSALDO • Luglio 2002: costituzione di un gruppo internazionale di progetto formato da ricercatori di ENEA (Italia), CEA (Francia), FZK (Germania), DOE (USA), CERN, CIEMAT (Spagna), CNRS (Francia), AAA (Francia), AIMA (Francia), ANSALDO (Italia) e IBA (Belgio)  la collaborazione TRADE opera mediante gruppi di lavoro che si riuniscono periodicamente e riunioni generali di stato di avanzamento (“progress report”, rapporti tecnici, paper a varie conferenze internazionali, ecc.) • ENEA, CEA, CNRS, FZK e DOE partecipano alla collaborazione TRADE con proprie risorse umane, finanziarie e strumentali. • Fine 2002: “Memorandum of understanding” siglato da ENEA, CEA e FzK. Alcuni laboratori americani (ANL e LANL) partecipano attivamente; il DOE anche recentemente ha confermato l’interesse per TRADE e la volontà di formalizzare il proprio impegno mediante un contratto. • Sono in via di preparazione specifici contratti fra le parti Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 31

32. Organizzazione del progetto TRADE nell’ambito della collaborazione internazionale Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 32

33. TRADE ed il VI PQ Europeo EURATOM RESEARCH AND TRAINING PROGRAMME ON NUCLEAR ENERGY (2002-2006) - WORK PROGRAMME 2004 3.2.2.1 Selected topics for the Call 2004 Transmutation of high-level nuclear waste in an Accelerator Driven System Objectives: Evaluation of the industrial practicability of transmutation of high-level nuclear waste in a fast neutron burner and development of the basic knowledge and technologies needed. Scope: • System analysis for an accelerator driven system (ADS) including more advanced integrated design, cost evaluation of the whole system and safety and licensing issues • Development of the basic knowledge and technologies required for, inter alia: • Improving reliability of high energy accelerators for ADS applications, • Coupling of the ADS components (accelerator, spallation target and sub-critical core), • Material and coolant technologies, advanced fuels and targets • Basic nuclear data. Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 33

34. Organisation Diagramme of IP EUROTRANS General Assembly Chairperson: NN Members: One Representative per each Party Project Co-ordination Committee Co-ordinator: J.U. Knebel, FZK Members: IP and SP Co-ordinators and Ansaldo Nucleare Scientific Consultancy Panel Chairperson: M. Salvatores SP1 DESIGN Design (H. Aït Abderrahim, SCK) SP2 TRADE-PLUS TRADE Experiment (S. Monti, ENEA) Related FP6 Projects: RedAct / Impact (FZJ, KTH) SP5 NUDATRA Nuclear Data (E. Gonzalez, CIEMAT) IP EUROPART Partitioning (C. Madic, CEA) SP3 AFTRA Fuels (S. Pillon, CEA) SP4 DEMETRA HLM Technologies (C. Fazio, FZK) Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 34

35. Organizzazioni partecipanti a TRADE-PLUS • AAA (France) • ANSALDO (Italy) • CEA (France) • CERN (Switzerland) • CIEMAT (Spain) • CIRTEN (Italy) • CNRS/IN2P3 (France) • EMPRESARIOS AGRUPADOS (Spain) • ENEA (Italy) • FZJ (Germany) • FZK (Germany) • IBA (Belgium) • ITN (Portugal) • NRG (The Netherlands) • UNED (Spain) • UPM (Spain) • TUDelft (The Netherlands) • Contact persons from DOE (USA) Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 35

36. WP Structure of SP2 TRADE-PLUS SP2: TRADE-PLUS • Input data: • Results coming from FP5 • MUSE • PDS-XADS • Continuous interaction with • SP1: DESIGN WP1: Design (ANSALDO) • Output data: • Demonstration of: • Coupling of ADS components • Proof of stable operability of an ADS • Dynamic behaviour of an ADS • Licensing issues Upgrade towards industrial application Design, safety and licensing of an ETD WP2: BTL & TS (ENEA) WP3: Target (CEA & ENEA) WP4: Safety & Licensing (ENEA) WP5: Proc. & Constr. (ENEA) WP6: Experiments (DOE & CEA) IAEA, ISTC, OECD/NEA IAEA, ISTC, OECD/NEA WP7: Interpretation (ENEA) Nat. / Intern. Programmes Nat. / Intern. Programmes Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 36

37. Diagramma temporale Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 37

38. Infine: “La facility TRADE rappresenta un contesto utile per mantenere vive le competenze nel campo nucleare da fissione, anche e soprattutto attraverso il coinvolgimento attivo – su un vero sistema nucleare complesso – di una nuova generazione di giovani fisici e ingegneri nucleari” Maggiori informazioni sul progetto TRADE sono reperibili al sito: http://www.trade.enea.it/ Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 38