MEGAPIE: la prima campagna di irraggiamento di un target di spallazione della potenza di 1
MW, a metallo liquido, per la produzione di neutroni, è stata conclusa con successo al PSI
Gli attinidi minori (Neptunio, Americio e Curio) sono i principali responsabili della
radiotossicità delle scorie nucleari. La loro trasmutazione in elementi stabili, o perlomeno ad
emivita breve, può essere ottenuta, in linea di principio, nei reattori sottocritici alimentati da
acceleratori di particelle (ADS, Accelerator Driver Systems) che sono equipaggiati con una
sorgente interna di neutroni prodotta da un fascio di protoni mediante reazione di spallazione.
Lo sviluppo di queste sorgenti ad elevata potenza, detti bersagli di spallazione, provvisti di
refrigerazione a metallo liquido pesante, nello specifico lega Piombo-Bismuto di composizione
eutettica (LBE), ed in grado di produrre il necessario flusso neutronico è stato identificato come uno
degli esperimenti chiave per lo sviluppo degli ADS.
Pertanto, nel 2000, nove Istituti di ricerca ed Agenzie governative tra Europa (CEA, CNRS,
ENEA, FZK, PSI, SCK-CEN), Giappone (JAEA), Corea (KAERI) e Stati Uniti d’America
(USDOE) hanno iniziato a collaborare congiuntamente alla realizzazione di un bersaglio di
spallazione da 1 MW, il quale è, successivamente, stato costruito, autorizzato all’esercizio ed
impiegato nel sistema di spallazione neutronica SINQ al Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera.
Tale sistema è alimentato da un ciclotrone in grado di fornire un fascio protonico di 575 MeV, con
una corrente che raggiunge gli 1.4 mA.
L’esperimento MEGAPIE (Megawatt Pilot Experiment) aveva lo scopo di dimostrare la
fattibilità, la posiibilità di autorizzarne l’esercizio in base alle legislazione vigente e la capacità di
operare sul lungo periodo in condizioni rappresentative di funzionamento per un bersaglio di spalla
che permetta, poi, di ottenere neutroni ad alta energia necessari per fissionare gli attinidi minori.
Dopo un attento studio delle basi tecnico-scientifiche di un tale esperimento durante il
biennio 2000-2001, sia il bersaglio vero e proprio, o target, quanto i sistemi ausiliari sono stati
progettati e realizzati tra Francia, Italia, Lituania e Svizzera.
Il target è costituito da 920 kg di LBE, racchiusi da un contenitore in acciaio. Il fascio
protonico incidente rilascia nel materiale una potenza termica di circa 580 kW, che viene poi
rimossa dal fluido termovettore, LBE, in convezione forzata attraverso uno scambiatore di calore.
Il fascio di protoni che incide nel target di LBE produce circa 1017 neutroni di spallazione di alta
energia per secondo.
In parallelo allo sviluppo del target, è stato intrapreso il processo per la licenza all’esercizio
con le autorità di sicurezza svizzere competenti, in primis l’ufficio di salute pubblica (Swiss Office
of Public Health).
Il target ha ricevuto l’ autorizzazione all’esercizio nel 2004 e si è, quindi, dato inizio alla
campagna di irraggiamento nell’agosto 2006. Prima di cominciare la campagna di irraggiamento
tutti i sistemi, in particolare quelli di sicurezza e controllo, sono stati ampiamente testati in assenza
di fascio. Il 21 Agosto 2006 si è poi dato inizio all’irraggiamento del target ai livelli di potenza
nominali, continuando la campagna sperimentale, in accordo con le previsioni, fino al 21 Dicembre
dello stesso anno, quando l’irraggiamento è stato interrotto secondo quanto stabilito dal programma
dell’esperimento.
Il numero di spegnimenti del fascio non previsti determinati dal target stesso è stato limitato,
cosicché si è raggiunto un livello di affidabilità del 95%, che risulta essere un valore piuttosto
elevato per un target sperimentale.
La carica protonica totale accumulata è risultata essere pari a 2.8 Ah. Il calore prodotto dalla
reazione di spallazione si è rivelato essere asportabile in maniera soddisfacente. Il tasso neutronico
ottenuto ha confermato i valori attesi in base ai calcoli effettuati.
Dopo lo spegnimento del fascio, l’LBE del bersaglio è stato fatto solidificare,
successivamente è stato estratto dalla facility e verrà, quindi, lasciato in deposito per circa un anno e
mezzo. In seguito verrà aperto e lo stato dei componenti interni e dei materiali strutturali verrà
sottoposto ad analisi.
L’Italia, che ha partecipato tramite l’ENEA a questo esperimento supportandolo con una
quota di circa l’ otto per conto del valore totale, è risultato il terzo paese per forniture tecnologiche
dopo la Svizzera e la Francia. Il 22 % degli investimenti per la realizzazione del target e dei suoi
sistemi ausiliari, infatti, è stato diretto verso aziende italiane. L’ ENEA medesima, ha fra le altre
cose, proceduto ad attività di progettazione dei sistemi di carico e scarico del target, di
qualificazione dei sistemi per l’asportazione di calore, di qualificazione dei materiali strutturali in
condizione di corrosione da metallo liquido e di verifica termo-meccanica del target stesso.
L’industria italiana ha realizzato alcune delle parti più delicate del sistema: il circuito di
asportazione del calore, il circuito di circolazione del gas di copertura del target, il sistema di carico.
Tutto ciò è stato reso possibile dalle elevate competenze tecnico scientifiche maturate a livello
nazionale sia nel settore della ricerca sui sistemi ADS e delle tecnologie dei metalli liquidi pesanti
sia nel settore dello sviluppo industriale.
Il successo della campagna di irraggiamento ed i risultati che si otterranno in seguito alle
analisi che verranno effettuate sui materiali esposti ad irraggiamento forniranno preziose
informazioni nel settore dei reattori sottocritici. Tali informazioni, per altro uniche nel loro genere,
sono molto rilevanti si per il progetto che per il funzionamento di sorgenti di spallazione di elevata
potenza per i futuri sistemi ADS di elevata potenza che potranno essere in grado di trasmutare
grandi quantitativi di rifiuti nucleari.
Il bersaglio inserito nella facility, con i sistemi ausiliari collegati
Il bersaglio prima dell’inserimento nella facility di spallazione.
