Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

ENEA ed enti di ricerca nazionali
F. Alladio, CR-Frascati ENEA
Dipartimento Fusione e Presidio Nucleare
(Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione)
Stato dei programmi:
Energia nucleare da Fusione
Energia nucleare da Fissione
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Il costante aumento del costo del petrolio,
il forte incremento dei consumi in Asia, le
preoccupazioni ambientali e di sicurezza di
approvvigionamento energetico, la lenta
penetrazione delle energie rinnovabili stanno
spingendo molti paesi al rilancio dell’energia
nucleare
Fusione Nucleare di interesse perche’ non
produrrebbe attinidi come scorie
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Dieci sfide per il secolo
Physics World, Novembre 1999
• Quantum gravity presents the ultimate
challenge to theorists
• Explaining high-Tc superconductors
• Unstable nuclei reveal the need for a
complete theory of the nucleus
• Realizing the potential of fusion energy
• Climate prediction is heavy weather
• Turbulence nears a final answer
• Glass physics: still not transparent
• Solar magnetic field poses problems
• Complexity, catastrophe and physics
• Consciousness: the physicist's view
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Un reattore a fusione di grandi dimensioni
(a volte non controllato, vedi esplosioni stellari)
• 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
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gravitazionale.
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 t tali che n  t > 21020sec/m3.
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Il confinamento magnetico del plasma
• Le particelle cariche del plasma seguono strette orbite a spirale
attorno alle linee di campo.
• Il plasma si diffonde attraverso il campo se collisioni o effetti
collettivi spezzano le orbite.
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Confinamento del plasma lungo il campo magnetico
Superficie solare
MAST (tokamak sferico, UK)
Filament state of magnetic field usual way for plasma
to avoid magnetic inibition of convective overturning!
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Domande per il futuro
• Si possono evitare le instabilità distruttive?
• Si può distribuire il carico termico?
• Si può controllare il plasma ignito?
JE
T
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Evoluzione del tokamak (1)
1960
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Evoluzione del tokamak (2)
1980
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Evoluzione del tokamak (3)
1990
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Progresso da T3 a JET
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Avvicinamento all’ignizione
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Il progetto IGNITOR
• R = 1.32 m
• B = 13 T
Obiettivi:
• Dimostrare l’ignizione
di un plasma a
confinamento
magnetico.
• Ottimizzare le strategie
di accensione.
• Sviluppare metodi di
controllo del plasma
acceso.
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IGNITOR
Even if not included in the European strategy for fusion,
during the last years ENEA carried out the study of
IGNITOR machine.
The detailed design of its load assembly and
largest/most expensive components/subsystems has
been almost completed.
Prosecution of the activity is depending on top level
political decisions.
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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.
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In this frame, the participation in ITER construction
and exploitation, including Broader Approach, as well as
in the European accompanying program and in the
technology development oriented to the development of
materials and systems for the DEMO reactor and
IFMIF are the driven elements of the ENEA fusion
program.
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The fusion activities performed and planned by the Italian
Fusion Association (ENEA-CNR-Consorzio RFX) have been
defined accordingly to the European strategy
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FTU ENEA - CR Frascati
•
•
•
Circular Tokamak (R/a=0.93/0.3m): Liquid Lithium, Toroidal Limiters
Magnetic Field 8T (cryo-Cu), Plasma Current 1.6 MA, Pulse length 1.5s
LHCD (8 GHz/2.5MW), ECRH(140 GHz/1.6MW), IBW(433 MHz/0.5MW)
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JT60-SA
The future Japanese Tokamak JT60-SA will be operated
in the framework of the ITER accompanying programmes.
ENEA, in collaboration with
the French CEA, is in charge
of the design and manufacture
of the 18 superconducting TF
coils for the machine.
The conceptual design of the
conductor and preliminary
characterizations of available
NbTi strands have been
already carried out.
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Innovative concepts
Besides the activities related to the European
strategy, important experiment based on
innovative concept are in progress. In this
frame an experiment called ‘Proto-sphera’ is in
construction. This experiment aimes at
realising a spheromak magnetic configuration
utilising a screw pinch as centerpost which
constitute for this kind of machine a very
critical component.
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The Spherical Tokamak (ST) is a magnetic confinement configuration
that provides plasma pressure much higher than conventional tokamaks
Severe space constraints for material center column:
• No space for central solenoid
• No neutrons shield (no superconductor)
PROTO-SPHERA: a plasma central column
Requires electrodes and plasma self-organization!
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Driven relaxation of
Plasma Central Column
forms & sustains the ST
“Smoke-ring like
self-organization”
PROTO-SPHERA
PCC electrode current Ie=60 kA
ST toroidal current
IST=240 kA
ST diameter
Rsph=0.7 m
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NUCLEARE da FISSIONE
Il programma di ricerca si prefigge di contribuire a
ricreare le competenze e le capacità industriali affinché il
Paese sia in grado di partecipare alla progettazione e
realizzazione degli impianti di GEN III e di GEN IV nel
caso essi soddisfino i criteri di:
1.Sostenibilità
2.Economia,
3.Sicurezza e affidabilità
4.Resistenza alla proliferazione e protezione fisica.
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ITALIA
• L’Italia dopo la seconda guerra mondiale fu tra i primi paesi che più
prontamente si mossero in direzione dell’energia nucleare.
• Negli anni ‘50 e ‘60 vennero costruiti diversi reattori di ricerca e
tre centrali nucleari di potenza basate su tre diverse tecnologie con
l’intento di verificare sul campo la filiera più idonea per il nostro
Paese.
• Anni ’80: Entrata in funzione della centrale di Caorso (800 MWe)
• Avanzata realizzazione della Centrale di Montalto di Castro (due
reattori ad acqua bollente (BWR) da 1.000 MWe ciascuno)
• Completamento del Progetto Unificato Nazionale (PUN) per la
realizzazione di impianti ad acqua pressurizzata (PWR) di seconda
generazione.
• 1986: Incidente di Chernobyl che divenne il motore di
una vasta mobilitazione antinucleare.
• 1987: REFERENDUM
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I paesi asiatici non hanno mai interrotto la
realizzazione di impianti nucleari, ma la
novità è costituita dal rinnovato interesse di
Europa e USA, dopo una lunga stasi di ordini
di nuovi impianti nel mondo occidentale durata
circa venti anni, in gran parte dovuta a
ragioni economiche e di politica industriale,
ed alla tendenza generalizzata alla
privatizzazione ed alla liberalizzazione, anche
per infrastrutture strategiche come quelle
energetiche.
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USA (I)
Negli USA è attesa, entro il 2008, la ripresa degli ordini di
nuovi impianti. Le utilities hanno presentato svariate
richieste di Early Site Permits e recentemente hanno
anche avviato l’iter per l’ottenimento di tre Combined
Operating Licenses.
Sul fronte governativo, il DOE ha lanciato nel 2000 la
nota iniziativa Generation IV per lo sviluppo di
reattori di quarta generazione che dovrebbero
entrare in operazione tra il 2025 ed il 2035
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Nel 2006 l’amministrazione americana ha annunciato
una nuova iniziativa nucleare denominata GNEP Global
Nuclear Energy Partnership che prevede un primo
stanziamento di 250 milioni di dollari nel bilancio 2007
Con GNEP si intende dare l’avvio ad una strategia
globale di gestione del ciclo nucleare che prevede,
da un lato l’utilizzo di reattori di piccola taglia
per i paesi in via di sviluppo e, dall’altro, il rilancio
della filiera veloce unitamente al riciclo del
combustibile per produrre più energia,
minimizzando nel contempo i rifiuti radioattivi ed i
rischi di proliferazione.
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CINA
In Cina il governo ha in programma la realizzazione di più di
30 centrali nei prossimi 10 anni. Sono stati recentemente
piazzati gli ordini per quattro unità “replica”.
L’industria italiana è ampiamente coinvolta in quest’ultima
offerta.
INDIA
L’India, che attualmente ha circa 2.500 MWe nucleari
installati, prevede di aumentare questa capacità di 10
volte al 2022, e di ben 100 volte a metà secolo.
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I PROGRAMMI EUROPEI ED
INTERNAZIONALI DI RIFERIMENTO
A partire dagli studi concettuali degli anni ‘90 effettuati dal
Prof. Carlo Rubbia e dal suo team del CERN sul sistema
nucleare denominato “Energy Amplifier” e dalle conclusioni
dello European Technical Working Group sull’ADS, l’ENEA,
unitamente a INFN,
Ansaldo, ed altri negli ultimi 10 anni sono stati
impegnati, a livello nazionale ed europeo, sullo sviluppo
di un sistema nucleare sottocritico raffreddato a
metallo liquido pesante mirato al bruciamento dei
rifiuti radioattivi ad alta attività.
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In Europa questa nuova fase si sta estrinsecando nei seguenti progetti in
corso del VI Programma Quadro Euratom (e nel loro follow-up previsto
nel VII PQ) che vedono, ancora una volta, le organizzazioni italiane in
posizioni preminenti:
• EUROTRANS - EUROpean Research Programme for the
TRANSmutation of High Level Nuclear Waste in an Accelerator Driven
System
• EUROPART – EUROpean Research Programme for the PARTitioning of
Minor Actinides and some Long-lived Fission Products from high active
waste issuing the reprocessing of spent nuclear fuels”:
•SNF_TP – Sustainable Nuclear Fission Technology Platform
• PATEROS – PArtitioning and Transmutation, European ROadmap for
Sustainable nuclear energy:
• ELSY – European Lead-cooled System (coordinatore Ansaldo Nucleare)
• VELLA – Virtual European Lead Laboratory (coordinatore ENEA)
• MEGAPIE - Megawatt post irradiation experiment .
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I PROGRAMMI NAZIONALI
Il fatto più rilevante a livello nazionale è rappresentato
dall’AdP sottoposto da ENEA al Ministero dello Sviluppo
Economico – a valere sul fondo per il finanziamento delle
attività di ricerca e di sviluppo di interesse generale per il
sistema elettrico - che, coerentemente coi temi individuati
dal “Piano Triennale della Ricerca di Sistema Elettrico e
Piano Operativo Annuale”, prevede, per il primo anno, un
finanziamento di 5,5 M€ per attività nazionali da inquadrare
nell’ambito di progetti internazionali sul nuovo nucleare da
fissione.
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CONCLUSIONI
Attivita’ di programma Europee ed Internazionali
di dimensione industriale, con forte spinta “politica”
Attivita’ di ricerca innovative ed “artigianali” forse
possono sopravvivere ai margini delle prime
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