fusione nucleare

FUSIONE NUCLEARE
La via verso il reattore
Francesco De Marco
Associazione ENEA-EURATOM sulla Fusione
Frascati
LA FUSIONE ALIMENTA IL SOLE E LE ALTRE
STELLE.
Ogni secondo nel sole circa 700 milioni tonnellate
di idrogeno si trasformano in elio.
Queste reazioni producono 4x1026 watt (!)
di cui meno di un miliardesimo cade sulla terra.
Fonti di energia attualmente usate o in via di sviluppo:
- l'energia solare diretta,
- l'energia idrica (tramite l'evaporazione),
- i combustibili fossili e le biomasse ( tramite la fotosintesi),
- l'energia eolica ( tramite il riscaldamento dell'atmosfera)
hanno origine da processi di fusione.
Un reattore a fusione di grandi
dimensioni
• L’esito del ciclo di Bethe: 1H+1H+1H+1H → 4He + 25 MeV.
• Il ciclo di Bethe e gli altri che partono dall’idrogeno richiedono
grandi densità e grandi dimensioni = confinamento
gravitazionale.
E' POSSIBILE RIPRODURRE E
CONTROLLARE I PROCESSI DI FUSIONE
SULLA TERRA?
La grande difficoltà della fusione consiste nel
superare la forte repulsione elettrica ( legge di
Coulomb)
La reazione Deuterio-Trizio
• Per ottenere energia da fusione sulla Terra dobbiamo
partire da isotopi dell’idrogeno che reagiscono più
facilmente:
• Energia di reazione >> energia di ionizzazione ⇒ il combustibile
è allo stato di plasma (fluido completamente ionizzato).
• Le particelle alfa (4He++) sostengono il plasma (ignizione) se
questo è abbastanza caldo, denso e ben confinato.
• Temperatura T >10 keV (100 milioni di gradi); densità n e tempo
di confinamento τ tali che n × τ > 2×1020sec/m3.
Reazioni di fusione
• La reazione considerata è:
D+T→ n(14.1MeV)+He4(3.5MeV)
Per ricostituire il trizio
n+Li6 → T+He4+4.8MeV
Altre reazioni hanno probabilità e rendimenti più
bassi, anche se hanno potenziali vantaggi per la
bassa produzione di neutroni
La scelta della reazione D+T
ha fondamentali conseguenze
che non possono essere
sottostimate.
I quattro quinti dell'energia da fusione
sono portati da neutroni veloci di 14
MeV.
Questi neutroni devono essere rallentati in un
involucro (blanket) che circonda la camera di
reazione, ove la loro energia è convertita in
calore per alimentare una turbina.
Il blanket ha anche un'altra funzione
fondamentale, cioé generare il trizio.
Schema di principio del reattore
Qual’ è il fine dell’attività di
ricerca?
• Costruire un reattore sicuro,
ragionevolmente pulito e accettabile
dal punto di vista ambientale,
economicamente attrattivo.
Il confinamento magnetico del plasma
• Le particelle cariche seguono orbite a spirale attorno alle
linee di campo.
• Il plasma si diffonde attraverso il campo per collisioni o
effetti di deriva.
Configurazioni lineari e toroidali (a ciambella)
Plasma non magnetizzato
Configurazioni lineari:
sopravvivono come esperimenti
di base.
Configurazioni toroidali:
costituiscono il mainstream
della ricerca sulla fusione
Schema di un tokamak
• La componente
toroidale del campo
magnetico è prodotta da
bobine avvolte attorno
all’anello di plasma.
• Il solenoide centrale
induce una corrente che
genera il plasma
(breakdown) e lo scalda.
• Altre bobine controllano
la posizione del plasma.
IL TOKAMAK
Sezione del plasma
Camera da vuoto e divertore
Storia (1)
• Le ricerche sulla fusione iniziarono negli anni ‘50. Furono
declassificate con la conferenza di Ginevra del 1958.
• Alla fine degli anni ‘60 i russi annunciarono che il tokamak T-3
raggiungeva alte temperature e tempi di confinamento di circa
20ms, molto più grandi che quelli di altri esperimenti.
• Le misure russe erano indirette. Furono confermate da una
squadra di scienziati inglesi che eseguì sul T-3 misure mediante
scattering di luce laser (metodo nuovo per quei tempi).
Storia (2)
• Da allora decine di tokamak hanno operato e operano
nel mondo.
• In particolare in Italia: Thor (CNR-Milano, non più
operativo), FT(ENEA-Frascati, non più operativo),
FTU (ENEA-Frascati, in operazione).
• I paesi europei hanno costruito e gestito in comune il
più grande tokamak nel mondo, il JET a Culham(R.U.).
Problemi scientifici
• Controllare grandi volumi di plasma per tempi
lunghi o in continua.
Pressione del plasma
• Massimizzare il valore di β=
Pressione magnetica
• Infatti potenza di fusione∝ß2xB4xVolume
(B≡Campo Magnetico)
Problemi scientifici(2)
• Riscaldare il plasma alle
temperature necessarie
(≈10÷20keV;
1keV≈107K) 
• Ottenere tempi di
confinamento
dell’ordine del secondo
nei regimi di interesse
per il reattore
Metodi di riscaldamento del plasma
Per accendere il “fuoco” nucleare
<nT> τ
-3
(m ,keV,sec)≥2
21
10
B2 ß τ(Tesla,%,sec)≥100
<nT>≡ media di nT sulla sezione del plasma
Raggiunti oggi valori di nTτ entro un fattore
circa 3 da quello richiesto.
La Fusione in Italia (1)
• Da decenni Associazione ENEA EURATOM
che comprende:
ENEA
Consorzio RFX (ENEA,CNR,Un.Padova,Acciaierie Venete)
IFP-CNR,Consorzi universitari.
Dal 2006 anche INFN in Cons. RFX
La Fusione in Italia (2)
In 2005, 415 persone e circa 55MEURO (incluso il
personale)
Esperimenti: FTU,RFX
Partecipazione a JET
ITER
Tecnologia (Magneti,neutronica,materiali)
Programma a lungo termine (DEMO)
Limitato programma sulla fusione inerziale
Fisica e Tecnologia
• Progressi nella fisica devono essere
accompagnati da progressi nella tecnologia.
Esempio
• Fisica  Reattori compatti  Alti carichi
energetici e neutronici sui componenti affacciati
al plasma  Ricerca sui materiali
Materiali
• Lo sviluppo di materiali con bassa attivazione e
alta resistenza sotto bombardamento neutronico
e che operino ad alta temperatura (T≈ 1000 °C)
permettono alte efficienze termiche ( 50%) e
possono anche produrre direttamente idrogeno
Tecnologia
• Le principali aree tecnologiche nel cammino
verso il reattore sono:
§ bobine superconduttrici
§ il blanket triziogeno,
§ i componenti affacciati al plasma e i materiali
resistenti alla radiazione e che abbiano basse
proprietà di attivazione.
I passi futuri
• ITER ( Dimostrazione della fattibilità
scientifica, progresso nella fattibilità
tecnologica)
• Sorgente di neutroni per studi sui materiali
• Reattore dimostrativo DEMO
ITER
• EU,USA,Giappone,Fed.
Russa, Cina,Corea,India
• Sito:Cadarache (Francia)
• Inizio costruzione: 2007
• Inizio operazioni: 2016
• 500MW di potenza di
fus. x500sec
The core of ITER
Central Solenoid
Nb3Sn, 6 modules
Cryostat
Toroidal Field Coil
Nb3Sn, 18, wedged
24 m high x 28 m dia.
Vacuum Vessel
9 sectors
Blanket
Poloidal Field Coil
Nb-Ti, 6
Major plasma radius 6.2 m
Plasma Volume: 840 m3
Plasma Current: 15 MA
Typical Density: 1020 m-3
Typical Temperature: 20 keV
440 modules
Port Plug
heating/current
drive, test blankets
limiters/RH
diagnostics
Torus
Cryopumps, 8
Divertor
54 cassettes
Fusion Power: 500 MW
Machine mass: 23350 t (cryostat + VV + magnets)
- shielding, divertor and manifolds: 7945 t + 1060 port plugs
- magnet systems: 10150 t; cryostat: 820 t
Device
FTU
B(tesla)
8
Ip (MA)
1.2
Vol (m3)
1.5
t (s)
1.5
JET
ITER
3.5
5.3
5
15
100
840
40
>300
La missione di ITER è dimostrare la
fattibilità scientifica dell’energia da fusione e
di progredire nella fattibilità tecnologica.
ITER ha come obiettivo:
- dimostrare la produzione estesa nel tempo
di energia; P≥500MW, Q≥10
- provare tecnologie essenziali per il reattore
(come le bo bine superconduttrici) in un
sistema integrato.
Progetti di reattori modello mostrano
tendenza verso reattori più economici.
8
Z(m)
A
6
C
B
D
4
ITER
2
R(m)
0
0
5
10
15
-2
-4
-6
-8
Filiera USA ARIES:
evoluzione del raggio
maggiore
Filiera UE: evoluzione della sezione
del plasma
(ABCDProgressi in
scienza e tecnologia)
CONCLUSIONI
• La fusione può dare un
contributo nella seconda
metà del secolo.
• I reattori avanzati
forniranno elettricità di
base e produrranno
direttamente idrogeno
Sezione del reattore
modello ARIES -AT
2m
4m
CONCLUSIONI
• Le centrali a fusione sono intrinsecamente
sicure
• Con un’appropriata scelta dei materiali le scorie
della fusione non costituiranno un un problema
di lungo termine per le generazioni successive a
quella che ha prodotto le scorie stesse.
Nello spirito dello sviluppo sostenibile
Vista del reattore modello
ARIES-AT
2m
4m
CENNI SULLA FUSIONE
INERZIALE
Ringraziamenti a S.Atzeni
Univ. di Roma
La Sapienza
Fusione a confinamento inerziale
• Reazioni di fusione da una piccola quantità (milligrammi) di
combustibile (DT), contenuta in un bersaglio,
• fortemente compressa (1000 volte la densità del solido!)
• riscaldata ad altissima temperatura (100 000 0000 K)
• pressioni di miliardi di atmosfere; nessun confinamento esterno
=> il combustibile è confinato solo dalla sua stessa inerzia
brucia in modo esplosivo per una frazione di
miliardesimo di secondo
• Processo impulsivo (microesplosione)
• è necessario fornire energia ciclicamente tramite un driver
• la massa del combustibile è limitata dalla necessità di
contenere l’esplosione in un reattore
(1 mg di DT rilascia 340 GJ, come l’esplosione di 85 kg di tritolo)
Il principio dello schema “classico”
Schema alternativo : ignizione veloce
si usano due diversi laser
• per comprimere prima
• e riscaldare poi
proposto da M. Tabak nel 1993
condizioni di ignizione calcolate da S.A. (1996, 1999)
Qualche numero (per un futuro reattore)
Bersaglio (guscio)
• massa: qualche milligrammo
• raggio: 1 – 3 mm
• spessore = 0.1 x raggio
impulso laser
• Energia: 1.5 MJ (≈ 0.4 kWh)
• Durata: 10 – 20 miliardesimi di secondo (10 – 20 ns)
• potenza di picco: 400 000 miliardi di watt
• Intensità massima: 1019 W/m2
• radiazione ultravioletta o blu
Energia di fusione prodotta
≈ 100 volte l’energia dell’impulso laser
Storia “moderna” della fusione inerziale
anni ‘70: prime implosioni
fine anni ‘70: pessimo assorbimento della luce laser infrarossa
inizio anni ‘80: sviluppo laser a luce visibile e u.v.
buon assorbimento, generazione di alte pressioni
1988-1992: misurate elevatissime compressioni (x 600),
elevatissime temperature
primi anni ‘90: comprese, misurate, simulate le instabilità,
sviluppate tecniche di misura con risoluzione
spazio-temporale elevatissima (micron - picosecondo)
1992-94: dati disponibili per iniziare a progettare esperimenti di ignizione
1994: primi laser ultra-intensi e schema di ignizione veloce
------------------------nota: fino al 1993 molte ricerche coperte da segreto militare (USA, URSS, F, GB)
Dall’ignizione al reattore
Una strada lunghissima, ma già avviata
Esperimenti di ignizione:
Obiettivo: ignizione, con moltiplicazione G > 10,
impiegando laser con rendimento dell’1%
che effettuano pochi spari al giorno,
usando bersagli che costano più di 1000 $ ciascuno
Reattore:
Necessari: moltiplicazione G > 100,
impiegando driver con rendimento del 10%
che effettuano 5 spari al secondo,
usando bersagli che costano meno di 1 $ ciascuno!
Uno dei molti concetti di reattore
Sono già in corso azioni di ricerca e sviluppo su tutti i componenti
Lo sforzo internazionale sulla fusione inerziale
Grandi programmi (> 300 Meuro/anno) : USA e Francia
(in parte notevole finanziati da organismi militari, ma con
notevoli componenti civili, universitarie, etc.)
Medi programmi (qualche decina di Meuro/anno): GB, (con
numerosi laser di varie dimensioni, e grande partecipazione di
giovani), Giappone, Russia
Programma più piccolo, ma di frontiera su alcuni temi: Germania
Piccole attività: Polonia, Rep. Ceca, Spagna, Portogallo, Corea,
India
E in Italia?
Attività sperimentale pioneristica a Frascati negli anni ‘60, poi interrotta;
ripresa nel 1977.
Impianto LASER ABC (circa 200J)
Finanziamenti Euratom per Frascati; piccoli programmi ministeriali per gli altri
gruppi.
Piccole attività sperimentali a Pisa e Milano. Piccolissimi nuclei partecipano a
collaborazioni ed esperimenti all’estero (con finanziamenti esteri).
Attività teorica di piccole dimensioni, ma ancora internazionalmente
riconosciuta
( Frascati, Roma; su qualche tema Pisa); collaborazione richiesta da alcuni
fra i maggiori laboratori europei e americani. Sviluppate in Italia teoria
dell’ablazione, dell’ignizione, studi importanti su simmetria e stabilità,
interazione laser ultra-intensa; programmi di calcolo.
Una nuova proposta europea:
HiPER,
un laser per l’ignizione veloce
idea: 2005-6
pre-progetto:
2007-2010
costo:
750 milioni di euro?
• nell’attuale fase leadership italiana di due dei sei/sette gruppi di
lavoro
Construction Cost
Sharing
C
“Contributions in Kind”
Major systems provided
directly by Parties
A
Systems suited only to Host Party industry
- Buildings
- Machine assembly
- System installation
- Piping, wiring, etc.
- Assembly/installation labour
Overall cost sharing:
EU 5/11, Others 6 Parties 1/11 each,
Overall contingency up to 10% of total.
B
Residue of systems,
jointly funded,
purchased by
ITER Project Team
Overall costs shared
according to agreed
evaluation of A+B+C
Il Tokamak
•
In un toro le particelle sono perse per
una lenta deriva verso le pareti
•
In un tokamak il confinamento viene
dato da sovrapposizione di un forte
campo magnetico toroidale generato
dall’esterno e da un campo magnetico
poloidale generato dalla corrente di
plasma.
Studi socio-economici
• Il costo del reattore deriva in massima parte dal costo
dell’impianto
• Gli studi s.e. hanno valutato il costo dell’elettricità da fusione e
gli scenari di inserimento della fusione nella produzione di
energia.
• Ai risultati sui costi manca la verifica di un prototipo operante
• Il confronto con il progetto ITER ha diminuito il margine di
incertezza
Studi socio-economici
• Questi studi affermano che i costi diretti dell’elettricità da
fusione non sono molto distanti da quelli di fonti rinnovabili
tipiche.
• I costi indiretti della fusione sono trascurabili.
• Gli studi s.e. mostrano che la penetrazione della fusione dipende
non solo dai suoi costi diretti, ma anche dall’atteggiamento della
società verso le fonti di energia ( limiti alla produzione di CO2,
diffidenza verso la fissione, scorie)
Si possono evitare scorie che richiedano depositi
permanenti per tempi lunghi. Il caso del reattore modello
studiato in Europa Model C.
•
•
•
•
Verde=scorie non attive
Viola=scorie semplicemente riciclabili
Blu=scorie riciclabili con manipolazione a distanza
Rosso= scorie in depositi permanenti