Energia dalla FUSIONE?
Francesco Paolo Orsitto
ENEA Frascati
F Orsitto
INFN 5 ott 2006
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IL sole e’
Un reattore a fusione di grandi dimensioni
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INFN 5 ott 2006
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Scopo delle ricerche sulla fusione e’:
creare un sorgente di
energia simile a quella che sostiene il sole
•
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 t tali che n t > 21020sec/m3.
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Outline
• Concetti introduttivi
• Confinamento magnetico: proprieta’,
Schema di un Tokamak
• Esperimenti esistenti attualmente
funzionanti
• Programma prossimi 25 anni : ITER
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Concetti introduttivi alla fusione a
confinamento magnetico
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Reazioni di Fusione
•
•
•
•
Vengono utilizzati due isotopi
dell’idrogeno:
Deuterio( 1protone, 1neutrone) e
Trizio( 1 protone , 2 neutroni)
La reazione di fusione e’:
D+T-> He4 ( 2 protoni, 2 neutroni)
+neutrone + energia
Etot_fus(DT)=17.6MeV
Ealfa/Efus = 1/5
He4 = particelle alfa
In un reattore per rigenerare il trizio
Si usa un ‘blancket’ di composti di Litio
Li6 + n -> T + He4 + 4.8Mev
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Confinamento magnetico
•
•
•
Il plasma deve essere confinato
ed isolato
Confinato: deve essere contenuto
stabilmente
Isolato : deve essere controllata
la interazione con il contenitore
Le particelle spiralizzano attorno al campo in
che possa deteriorare le
traiettorie con un raggio transverso
condizioni del plasma, per
esempio aumentando le
r= m Vperp / eB
impurezze
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tokamak
•
In un plasma contenuto in un
device toroidale con un campo
magnetico assiale viene fatta fluire
una corrente indotta da un
trasformatore: risulta un campo
magnetico con linee elicoidali che
si chiudono su se stesse dopo un
numero intero di giri in certe
posizioni dette superfici razionali.
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Potenza dalla fusione a confinamento
magnetico
• Pfusione=1/4 nion2 <s v> Efusione ~ (nT)2
• <s v>~ T 2.
• Pfusione = 1.08 b2 B4. MW/m3.
• b=2 nT / (B2/2m0) = [pressione
totale(ioni+elettroni) cinetica ] /pressione
magnetica
• Per es. (B2/2m0) = 1 atmosfera @ B=0.5T
• Tipico valore di beta b~1-10%
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Tempo di confinamento tE.
• Tempo caratteristico (tE )
della Perdita di energia
per conduzione termica e’
definito:
• PL = 3nT/ tE.=
((3/2)neTe+(3/2)niTi)/tE
Legge di scala confinamento magnetico
per tokamaks ( H-mode)
(Energia media/ grado
di liberta’=1/2 T)
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FUSIONE: Obiettivi
• Pareggio energia (Q=1)
• Ignizione (Q>10)
• (ntET)MIN~1021 m-3 s keV
tE~1s, T~10keV,n~1020 m-3.
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Commenti su Pfus vs (limiti di) beta
Pfusione = 1.08 b2 B4. MW/m3.
D+T→ a(3.5MeV) + n(14.1MeV)
•Le particelle a sono particelle cariche, restano nel
plasma e riscaldano il plasma,cedendo la loro energia per
rilassamento collisionale.
•I neutroni possono essere utilizzati per ricavare energia.
Q guadagno
potenza _ fusione
potenza _ riscaldam
3nT
tE
Pfus
Q
Pfus b 2 B 4 4bB 2t E
Q
;Q
3nT Pfus
3
nT
Ploss
3
Q
1
tE
5
tE
5
steady _ state Pr isc Palfa Ploss
b limitato dalla stabilita’MHD
tE limitato/regolato Dal trasporto turbolento
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Progressione di 5 ordini di grandezza
nel fattore di merito ntT della Fusione in 30 anni di sperimentazione
ntT cresciuto piu’ velocemente della energia
degli acceleratori e della velocita’ di calcolo
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Regimi operativi del plasma di un tokamak: corrispondenza
Profili di corrente ↔ profili di pressione
q~B/I
Profili di pressione = nT
E Joffrin and X Garbet Conf IAEA 2004
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Macchine attualmente funzionanti
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Esperimenti sulla fusione in Italia
FTU (Frascati)
• Raggio maggiore R= 0.94 m
• Raggio minore a = 0.3 m
• Campo magnetico B = 8 T
RFX (Padova)
• Raggio maggiore R= 2 m
• Raggio minore a = 0.5 m
• Campo toroidaleB = 0.7 T
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JET(Joint European Torus)
EFDA Culham science centre Oxfordshire(UK)
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Interno del JET
senza plasma
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con plasma
JET:La piu’ grande macchina Tokamak funzionante;
corredata di impianti
per operazione
in DT
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Riscaldamento dovuto alle particelle alfa
JET DT1
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Programma futuro
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Il progetto ITER
•
•
R = 6.2 m
B = 5.3 T
Obiettivi:
• Studiare plasmi parzialmente
sostenuti dai prodotti di
reazione.
• Integrazione degli scenari
(controllo, confinamento,
carichi termici).
• Sviluppo della tecnologia.
ITER deve dimostrare la
fattibilita’
Scenario con Q=10 in H-mode
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Produrre 450MW di potenza
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Ruolo di ITER
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ITER
• ITER verra’ costruito a Cadarache ( sudFrancia, vicino Aix en Provence)
• L’inizio della costruzione previsto nel 2007
• ITER e’ una collaborazione internazionale
tra EU, USA,JA,RF,Cina,Corea
• Costo stimato 6BEURO
• Tempo stimato per la costruzione 8anni
• Durata stimata di funzionamento 20 anni
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