Le attività svolte dal Laboratorio MATeriali e PROcessi chimico fisici, a supporto dello sviluppo degli esperimenti e per la futura realizzazione di componentistica per reattori a fusione, riguardano lo sviluppo di materiali funzionali e tecnologie di processo per materiali strutturali che sinteticamente possiamo definire come attività per lo sviluppo di “MATeriali e TECnologie per(X) la FUSIONe” MATEC-X-FUSION.

In particolare, il supporto è fornito sulla base della commessa interna fra il dipartimento SSPT e NUC che vede coinvolti nel periodo gennaio 2022 - dicembre 2024 dodici fra tecnici e ricercatori in 4 Task obiettivi:

Task 1: Studio e messa a punto del processo di sintesi di Materiali Superconduttori Ferro-pnicturi e Ferro-calcogenuri. Obiettivo del task è la prosecuzione delle attività di studio sui materiali superconduttori a base ferro. Tali attività si pongono a supporto e complemento delle linee di produzione di fili e nastri del gruppo FSN-COND. Le attività previste in commessa consistono nella sintesi di polveri di materiali superconduttori, o dei loro precursori, mediante differenti metodologie e lo studio di un processo di consolidamento mediante HIP (Hot Isostatic Pressing) a supporto della realizzazione di fili. L’attività si colloca all’interno delle attività WPMAG previste per lo sviluppo di un sistema magnetico ibrido LTS/HTS per il Solenoide Centrale di DEMO.
Nel dettaglio l’attività di articola in:
- Attività di sintesi e produzione di target avvalendosi della camera a guanti in dotazione al fine di minimizzare l’effetto della contaminazione di ossigeno e acqua
- Attività di sintesi e caratterizzazione di superconduttori a base FeAs (pnicturi) e.g. CaKFe4As4.
- Esplorazione di nuove composizioni chimiche/drogaggi con sostituzione parziale o totale degli elementi alcalini/alcalino terrosi in feedback con le misure di superconduttività effettuate presso i laboratori di FSN-COND.
- Studio e sviluppo di processi di compattazione mediante HIP con: definizione della procedura di sigillatura dei materiali precursori sotto forma di fili anche mediante saldatura in ambiente protetto; definizione di parametri sperimentali in termini di pressioni, temperatura, tempi e gradienti di riscaldamento e raffreddamento per il consolidamento e densificazione di precursori di componenti superconduttori mediante HIP. Analisi pre e post processo mediante tomografia a raggi X.

Task 2: Sviluppo di processi di saldatura per il Divertore di DEMO - Cassette Technology R & D (joining of pipework /cooling Circuit).
L’attività di questo task è relativa a studio e sviluppo di tecnologie di giunzione fra tubi in CuCrZr ed Eurofer 97 per il Cassette Body del Divertore di DEMO. L’attività è suddivisa in report a stato di avanzamento annuale.
In particolare, il Laboratorio ha in carico l’effettuazione delle attività e la redazione del Deliverable EUROFUSION: “Preliminary joining technologies for pipes of dissimilar materials” inerente:
Studio della saldatura Laser e/o della saldatura a diffusione per mezzo di applicazione di processi ad elevate temperature e pressione in HIP.
Le attività verranno sviluppate mediante Design of Experiments utilizzando tubi in CuCrZr e simulacri in P91.
Saranno prodotti alcuni simulacri che saranno sottoposti a test preliminari di tipo NDT (analisi visiva e radiografica); analisi macrografica e di durezza.
Le attività negli anni successivi saranno mirate all’affinamento della tecnologia di giunzione più adeguate ed all’applicazione all’ EUROFER 97. Sulla base dei risultati del primo anno saranno effettuati dei piani sperimentali ottimizzati sulla tecnologia che sarà valutata migliore sotto l’aspetto tecnico economico a saranno realizzati dei campioni rappresentativi per effettuare i test meccanici per la qualificazione del processo di giunzione ove applicabile in accordo al RCC MRx.
Sarà effettuato il tuning dei parametri per la saldatura con EUROFER 97 e saranno realizzati mock up rappresentativi con i materiali originali del progetto, andando a qualificare le Welding Procedure Specification per la fabbricazione della componentistica del divertore di DEMO.  

Task 3: Sviluppo dei sistemi di Remote Handling Cut & welding per il DTT.
E’ prevista la definizione del Conceptual Design per lo sviluppo di sistemi remotizzati di taglio e saldatura laser per la sostituzione dei componenti In-Vessel dell'impianto DTT. In particolare, dove richiesto lo scollegamento e la successiva riconnessione delle tubazioni in acciaio Inox 316 dei sistemi di raffreddamento. Queste operazioni richiedono lo sviluppo di attrezzature in grado di tagliare e successivamente saldare e ispezionare le tubazioni che devono essere effettuate dall’interno delle tubazioni che hanno un diametro di circa 60 mm.
Lo sviluppo dell'utensile in-bore comprende le seguenti attività:
- Definizione dei requisiti funzionali e progettuali
- Definizione delle interfacce
- Analisi di fattibilità
- Progettazione concettuale del dispositivo C&W
Nelle annualità successive è previsto l’allestimento di un simulacro di test di taglio e saldatura “in Bore” presso il CR Casaccia per la valutazione dei sistemi concettuali proposti. L’attività si concluderà con la qualificazione del dimostratore tecnologico e con il trasferimento e test presso DTT Frascati.

Task 4: Permeazione dei gas nei materiali - membrane
Nel laboratorio Permeazione Idrogeno un impianto sperimentale atto allo studio della permeazione dei gas attraverso i materiali. L’apparato consente di misurare il flusso e tutte le grandezze fisiche associate di un gas attraverso un campione piano (o cilindrico) dalla temperatura ambiente fino a 1800 oC. Si vuole sottolineare che data la flessibilità con la quale è stata progettata l’apparecchiatura si possono eseguire anche misure diverse da quelle di permeazione come ad esempio misure di absorbimento e desorbimento dei gas nei materiali. L’impianto è correntemente utilizzato nelle seguenti tre Task EUROfusion:

BB-TBM-T.02.03-T002-D008: Permeation performances of the Al2O3 compound after exposure to PbLi 2022
Campioni (dischi) di Eurofer ricoperti di Al2O3 con la tecnica PLD (Pulsed Laser Deposition) (spessore di deposizione 3 micron) sono testati per verificare la permeazione di H2 e D2 dopo l'esposizione a un bagno di PbLi (450 oC) a diversi tempi di esposizione.

BB-S.05.01-T003-D008: Analysis on surface effects in view of tritium permeation assessment for niobium and vanadium
Prevede lo studio dello spessore minimo del film di PdAg per il quale il flusso inizia ad avere valori inferiori. Infatti, il lavoro precedente ha evidenziato l'importanza dello stato delle superfici del niobio per quanto riguarda la permeazione del trizio. La permeazione di idrogeno e deuterio è stata misurata in campioni piani di niobio puro e campioni piani niobio nei quali sulle superfici sono state depositate, mediante una tecnica Dual Ion Beam Sputtering, rivestimenti di Pd25%Ag di diverso spessore. La riduzione dello spessore del rivestimento da 200 nm a 50 nm non ha modificato il valore del flusso. Questi risultati incoraggiano ulteriori indagini per determinare lo spessore minimo del film di PdAg.

BB-S.05.01-T003-D012: Evaluation of impact on permeation of a Pd25%Ag deposited layer on niobium tube
Questa task è la continuazione del lavoro effettuato nella task BB-S.05.01-T003-D008 considerando campioni di Nb di geometria cilindrica con dimensioni (diametro e spessore) equivalenti a quelle presenti nel blanket.

Complessivamente il costo delle attività nel triennio è di circa 800 k€ di cui 506 k€ di personale e 292k€ di spese per le attività.