INFN-E/MAFI (Monitoraggio Alti Flussi per Iter) INFN Sezione Genova: Mikhail Osipenko, Marco Ripani Università degli Studi di Genova: Barbara Caiffi, Mauro Taiuti ITER Organization: Luciano Giancarli

Dimostrare la sostenibilità ambientale dei reattori a fusione ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) OBIETTIVI: Dimostrare la fattibilità scientifica della produzione di energia dalla fusione nucleare Dimostrare la sostenibilità ambientale dei reattori a fusione

ITER MACHINE Solenoide centrale Criostato Vacuum Vessel Bobine campo magnetico toroidale Blanket Bobine campo magnetico poloidale Divertor

PLASMA Problematiche collegate all'utilizzo di questo combustibile: 14.1 MeV 3.5 MeV Problematiche collegate all'utilizzo di questo combustibile: APPROVVIGIONAMENTO TRIZIO: il trizio è un isotopo instabile dell'idrogeno, con t=12.3 anni. E' necessaria la sua produzione in loco. RECUPERO ENERGIA PRODOTTA: l'80% dell'energia prodotta nella reazione è portata dai neutroni che non sono soggetti al confinamento magnetico del tokamak

SHIELDING NEUTRONICO P=700 MW → 1014 n/(s cm2) flusso totale su First Wall (FW) Il flusso dopo il First Wall deve essere ridotto di diversi ordini di grandezza per evitare: Surriscaldamento e conseguente quenching dei magneti superconduttori Attivazione neutronica nelle regioni delle porte, in cui l'accesso umano è previsto per periodi più o meno lunghi per manutenzione e controllo Vaccum Vessel: Double wall (steel-water-steel) Blanket: - beryllium - high-strength copper & stainless steel 44 porte: 18 porte superiori 18 porte equatoriali 9 porte inferiori

TBM HCPB Helium-Cooled Pebble Bed: TBM Port Cell TBM (Test Blanket Module): moduli contenenti litio per la produzione di trizio n+ 6Li → t + α + 4.8 MeV n+ 7Li → n + t + α -2.8 MeV Test Blanket System (TBS): TBM + ancillary system ( sistema di raffreddamento, sistema di estrazione del trizio, sistemi di misura e monitoraggio etc..) N° Porta TBM Concept 1 TBM Concept 2 16 Helium Cooled Lithium Lead Helium Cooled Pebble Beds 18 Water Cooled Ceramic Breeder (+ Be) Dual Coolant (He+LiPb) Lithium Lead 2 Lithium Lead Ceramic Breeder TBM HCPB Helium-Cooled Pebble Bed: grani ceramici di litio come materiale per il breeding e grani di berillio come moltiplicatore di neutroni TBM Port Plug TBM HCLL Helium-Cooleed Lithium-Lead: lega eutettica di piombo e litio, usata sia come moltiplicatore di neutroni che come materiale di breeding

TBM Port Cell TBM Port Cell Esempio della disposizione del Test Blanket System Area retrostante il bioshield: contiene AEU, deve permettere l'accesso umano per tempi lunghi durante il funzionamento del reattore. Pipe Forest: deve permettere l'accesso per manutenzione e sostituzione dei TBM tra le varie fasi del plasma.

ITER Plasma Scenario PROGRAMMA ITER PROGRAMMA TBM 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 PROGRAMMA ITER Completamento costruzione tokamak 1° Plasma: FASE HH FASE H- He FASE D-D PROGRAMMA TBM FASE D-T Installazione TBM EM-TBM Test TN-TBM Test NT/TM-TBM INT-TBM Test EM-TBM: electro-magnetic TBM mock-up TN-TBM: thermal-neutronic TBM mock-up NT/TM-TBM: neutronic/tritium & thermo-magnetic TBM mock-up INT-TBM: INTegral TBM

Simulazioni con codice B-LITE (MCNP) Stato dell'arte: Obiettivi: Implementare in B-lite un modello quanto più accurato possibile della TBM Port Cell Simulare i flussi neutronici corrispondenti alle diverse fasi del plasma Calcolare la dose nelle diverse regioni della Port Cell per verificare se rispetta i limiti prestabiliti Equatorial Port TBM dummy Limiti: 100 μSv/h 106 s dopo lo shutdown nella regione della Pipe Forest Region [assumendo come fattore di conversione 10-5 μSv/(h cm2 s) e E>0.1 MeV → ϕ~107 n/(cm2s)][1] 10 μSv/h 24h dopo lo shutdown nell'area oltre il bioshield dove è localizzata l' Ancillary Equipment Unit (AEU) [1] U.Fisher, D. Große, F.Moro, P.Pereslavtsev, R.Villari, V.Weber “Itegral approach for neutronics analyses of the European test blanket modules in ITER”

Tecniche di monitoraggio dei flussi neutronici per la TBM Port Cell CVD (Chemical Vapor Deposition) Diamond detector Caratteristiche: Resistenza alla radiazione Possibilità di realizzare device compatti di piccole dimensioni Buona risoluzione Tempo di raccolta piccolo (1-10 ns)

Resistenza alle radiazioni[2] Neutrons: up to 4 x 1015 of 14.8 MeV n/cm2 ~ 2 MGy Photons: up to 10 MGy MIPs (24 GeV protons): up to 4 x 10 15 p/cm2 ~ 1.25 MGy Rivelatori al diamante nel reattore a fusione JET[3] Linearità Risulati in perfetto accordo con le tecniche standard (camerette a fissione) [2] RD42 Collaboration , Status Report 2007, “Development of diamond Tracking Detectors for High Luminosity Experiments at LHC ” [3] JET Collaboration “Single Crystal CVD Diamonds as Neutron Detector at JET”

n+12C→9Be+α-5.7MeV n+6Li→α+T n+12C→n+12C I neutroni interagiscono direttamente con il 12C del volume sensibile n+12C→9Be+α-5.7MeV Per n da 14 MeV α e 9Be hanno complessivamente energia di 8.4 MeV n+12C→n+12C Scattering elastico neutroni su carbonio I neutroni interagiscono con il 6Li del 6LiF: n+6Li→α+T T(2.73 MeV) e α (2.06 MeV) sono emessi a 180°, quindi solo una delle due particelle viene rivelata

NDD (Natural Diamond Detector) Stato dell'arte NDD (Natural Diamond Detector) (JET, con l'ipotesi di avere solo neutroni da 14 MeV ) [3] scCVD diamond detector with LiF converter (JET)[5] 2.76 MeV (t) 2.07 MeV (α) 2.07 MeV (α) [3] JET Collaboration “Single Crystal CVD Diamonds as Neutron Detector at JET” [5] JET Collaboration “Study of d–t neutron energy spectra at JET using natural diamond detectors”

R&D: spettromentria neutronica Obiettivi: investigare tecniche per la misura dello spettro dei neutroni. Dalla simulazione dei flussi e degli spettri neutronici nelle regioni di interesse ( TBM Port Cell, Pipe Forest, ...), sarà possibile individuare il metodo ottimale per la misura di spettri neutronici ToF Rivelatore a sandwich

Conclusioni Obiettivi di INFN-E/MAFI: Simulazione dei flussi neutronici nella regione della TBM Port Cell del reattore a fusione ITER R&D di rivelatore al diamante per il monitoraggio e per la misura dello spettro di tali flussi Richieste (già assegnate): Per iniziare questa attività abbiamo bisogno di 4.5 kEuro, di cui 2 k per incontri di discussione del progetto a Cadarache e 2.5 k per poter frequentare la scuola di MCNP Strumentazione hardware già esistente (INFN-E/Rilf)