Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 1 Il progetto TRADE ENEA - Giovedì della cultura scientifica - 18 dicembre 2003 TRADE - TRIGA Accelerator Driven Experiment Prossimo passo per la validazione del concetto di ADS Stefano Monti (a nome della collaborazione internazionale TRADE)
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Il progetto TRADE Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 1 ENEA - Giovedì della cultura scientifica - 18 dicembre 2003 TRADE -
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Giovedì della cultura scientifica – Casaccia – 18 dicembre 2003 1
Il progetto TRADE
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)
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Il progetto TRADE
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
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Il progetto TRADE
1994 – 1998: Primi esperimenti sulla fisica degli ADS promossi e guidati da Carlo Rubbia al CERN
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.
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.
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Il progetto TRADE
1998 – 2003: Esperimento MUSE
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).
Limiti di MUSE:
La sorgente neutronica esterna non è di spallazione;
La potenza è “quasi-zero” no contro-reazioni di potenza
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Il progetto TRADE
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
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
Inoltre TRADE permette di studiare:
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Il progetto TRADE
Sequenza di validazione di un ADS
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
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Il progetto TRADE
La risposta del sistema ad una variazione della sorgente esterna, per un dato livello di sottocriticità , è data da:
P(t) =
veloce [t, , ] dove (tempo di generazione dei n pronti) dipende dalla natura del sistema (termico/veloce)+
ritardata [t, , ] dove (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.
La cinetica TRADE è significativa anche se TRIGA è un reattore termico!!!
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Il progetto TRADE
L'esempio di una sorgente pulsata quadrata:la risposta veloce
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Il progetto TRADE
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 DT10 °C in TRIGA (1 MW) produce una controreazione rappresentativa di un DT100 °C in un XADS (80 MW).
Questo è un altro principio base della rappresentatività di TRADE.
TT
)T( 0
10TT XADSTRIGA
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Il progetto TRADE
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
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Il progetto TRADE
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!!!
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Il progetto TRADE
Lay-out della Facility TRADELay-out della Facility TRADE
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Il progetto TRADE
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)
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Il progetto TRADE
Principali parametri del nocciolo TRADE per vari valori dell’energia dei protoni
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Il progetto TRADE
Ciclotrone SC - 230 MeV H2+ 0.5 mA
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Il progetto TRADE
L’ipotesi di un ciclotrone da 300 MeV a settori separati
M4
P1P2
Q5
Q4 Q6
Q7
Q8
350
Q9
M2
BPM
Q1 Q2 Q3
Q10
Q11Q12
Q13 Q14 Q15
Q16 Q17 Q18 Q19 Q20
Q21Q22
24260
2500
11
991
SYSTEMCOOLING
POWERSUPPLY
21 43 5 6 7 8 109 metres
Q5
Q4 Q6
Q7
Q1 Q2
Q3
BEAM DUMP
M3
SSC 300 MeV
Injector Cyclotron 10 MeV
TRIGA
M1
1998
view
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.
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Il progetto TRADE
Accoppiamento linea di trasporto del fascio – sistema sottocritico
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Il progetto TRADE
Accoppiamento linea di trasporto del fascio – sistema target
M4
Q19 Q20
Q21Q22
M3
7 nA 100 nA
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
Height of vacuum chamber (mm)
Cu
rre
nt l
ost
in M
4 e
ntr
an
ce p
er
13
0 u
A b
ea
m (
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.
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Il progetto TRADE
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
il bersaglio di spallazione
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Il progetto TRADE
Detail A
Detail B
Detail A
Detail B
TRADE Project
Solution 10/C-200
200MeV18mm. Ta37mm. Fe
Il target più “ciccione” possibile
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16 diverse configurazioni di nocciolo40 misure con 7 rivelatori
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Il progetto TRADE
Misura dei Parametri di Controreazione
10 + 10 Termocoppie
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Il progetto TRADE
Studio di transitori assimilabili a discontinuità di funzionamento dell’acceleratore
Inserzione di reattività positiva
Inserzione di reattività negativa
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Il progetto TRADE
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
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Il progetto TRADE
Stato del progetto
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
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
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Il progetto TRADE
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
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Il progetto TRADE
Organizzazione del progetto TRADE nell’ambito della collaborazione internazionale
T RA DE Proj ect S t ructure
T echnical A dvisory
Committee
LOCAL COORD INATORS:TB DP ro je ct o ff ice
L ice n s ing
S ys te m In teg ra tion
O p e ra tion
Q u a lity A ssu ra n ce
R a d io p ro te c tion
T ra in in g
G e n e ra l T a sks
N e u tro n ic D e s ign
S p a lla tion P h ys ics
S h ie ld .& A c ti.& Da m a ge
P re & P os t T e st S im u l.
P h ys ics
S p e cs& P ro ce d u res
D a ta A cq u is ./V a lid .
In -p ile In s tru m e n ta tion
E q u ipm e n ts
In -P ile E xp e rim e n ts
C o re T h e rm o -h yd r.
H e a t re m ova l S ys tem
C o re -T a rge t C o u p ling
T h e rm a l-H yd ra u lics
C yc lo tro n
B e a m Tra n spo rt L ine
B e a m D u m p
A n c illa ry S ys te m s
B e a m D e live ry
In s trum e nta tion
V a cu u m S ys tem
A cce le ra to r & B TL
T h e rm a l-H yd ra u lics
T h e rm o -M e c . D e s ign
S p a ll. P ro d uc ts M a n a g.
D ia g n o s tics& In s tru m .
W ith o u t irra d .
U n d e r irra d ia t.
S u p p o rt. E xp erim e n ts
P o s t-Irrad . E xa m .
M a te ria ls
T a rg e t S ys tem
S a fe ty C rite ria
In it ia to rs& S ce n a rios
H a za rd A n a lys is
S a fe ty o f the E xp s.
T ra n s ie n t A n a lys is
S a fe ty
L a y -o u t
C iv il B u ild in g s
M e ch a n ica l S tru c tu res
F u e l & Irrad . C o m p.
T a rg e t D isp o sa l
E n g ine e ring
Proj ect M anagementP ro je c t le a d e r:
S c ie n tifc C o o rd in a to r:P ro je c t co n tro lle r:
Proj ect S teering Committee
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Il progetto TRADE
TRADE ed il VI PQ EuropeoEURATOM RESEARCH AND TRAINING PROGRAMME ON NUCLEAR ENERGY
(2002-2006) - WORK PROGRAMME 2004
3.2.2.1 Selected topics for the Call 2004Transmutation 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.
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Il progetto TRADE
SP2 TRADE-PLUS
TRADE Experiment(S. Monti, ENEA)
SP4 DEMETRA
HLM Technologies(C. Fazio, FZK)
SP1 DESIGN
Design(H. Aït Abderrahim, SCK)
SP5 NUDATRA
Nuclear Data(E. Gonzalez, CIEMAT)
Project Co-ordination Committee
Co-ordinator: J.U. Knebel, FZKMembers: IP and SP Co-ordinators and Ansaldo Nucleare
Scientific ConsultancyPanel
Chairperson: M. Salvatores
General AssemblyChairperson: NN
Members: One Representative per each Party
SP3 AFTRA
Fuels(S. Pillon, CEA)
IP EUROPART
Partitioning(C. Madic, CEA)
RedAct / Impact(FZJ, KTH)
Organisation Diagramme of IP EUROTRANS
Related FP6 Projects:
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Il progetto TRADE
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)
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Il progetto TRADE
WP Structure of SP2 TRADE-PLUS
WP2: BTL & TS (ENEA)
WP3: Target (CEA & ENEA)
WP4: Safety & Licensing(ENEA)
WP5: Proc. & Constr. (ENEA)
WP6: Experiments (DOE & CEA)
SP2: TRADE-PLUS
Output data:
Demonstration of: Coupling of ADS
components Proof of stable operability of
an ADS Dynamic behaviour of an
ADS Licensing issues
Upgrade towards industrialapplicationDesign, safety and licensingof an ETD
WP1: Design (ANSALDO)
Input data:
Results coming from FP5 MUSE PDS-XADS
Continuous interaction withSP1: DESIGN
IAEA, ISTC, OECD/NEA
Nat. / Intern. Programmes
IAEA, ISTC, OECD/NEA
Nat. / Intern. Programmes
WP7: Interpretation (ENEA)
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Il progetto TRADE
Diagramma temporale
IP EUROTRANS – TRADE-PLUS Work Packages Year 2003 2004 2005 2006 2007 2008
WP5 Construction WP5 Workshop tests WP7 Installation &
Commissioning
AUTHORISATION FOR
OPERATION
WP7 Start-up: Exp. Program Phase II
WP7 Full-power operation: Exp. Program Phase III
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Il progetto TRADE
Maggiori informazioni sul progetto TRADE sono reperibili al sito:
http://www.trade.enea.it/
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”