ENERGIA NUCLEARE
DA FUSIONE
Laura Savoldi Richard
DENER - Dipartimento di Energetica
Politecnico di Torino
Sistemi energetici per il futuro:
i reattori a fusione nucleare
L. Savoldi Richard
Dipartimento di Energetica, Politecnico, Torino, Italy
Con contributi di R.Zanino e F. Subba
Progetto “Scienza attiva” 2009
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Sommario
• Introduzione
• La fusione nucleare
• Il confinamento del plasma:
– inerziale
– magnetico
• Il tokamak
• Il reattore ITER
Progetto “Scienza attiva” 2009
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Introduzione (I)
•L’energia di legame
corrisponde a energia di fatto
rilasciata alla formazione
dell’atomo
• Maggiore e’ l’energia di
legame, maggiore e’ la
stabilita’ del nucleo
dell’atomo
Energia di legame per nucleone (MeV)
• La massa di un nucleo e’ sempre inferiore
alla massa dei suoi componenti (protoni +
neutroni) la massa mancante (“difetto di
massa”) viene convertita, secondo la
formula di Einstein E = mc2 , in energia di
legame
del nucleo
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Il nucleo piu’ stabile
e’ quello del Ni
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FUSION
E
Energia di legame per nucleone (MeV)
Introduzione (II)
FISSIO
NE
•Nel passaggio da un
nucleo meno stabile a
uno piu’ stabile si ha
rilascio di energia
(L’energia rilasciata
dai nuclei si puo’
misurare in MeV: 1
eV ~ 11605 K)
• Ci sono DUE modalita’ per sfruttare la liberazione di energia che si ha
nel passaggio da nuclei meno stabili a nuclei piu’ stabili: la FISSIONE e
la FUSIONE nucleare
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La fusione nucleare (I)
• Attraverso la “fusione” dei nuclei di elementi “leggeri” (= a basso
numero atomico) e’ possibile liberare energia
• Il processo e’ analogo a quello che avviene nel sole e nelle altre stelle!
La fusione nucleare e’
certamente la maggiore
sorgente di energia primaria
per la Terra! Attraverso
l’irraggiamento solare, i
processi di fusione nucleare
nel Sole hanno alimentato i
processi biologici
(fotosintesi, …), producendo
quindi le riserve di materiali
ad alto contenuto di carbonio
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Potenziali attrattive della
produzione di energia da fusione
•
•
•
•
•
Alta energia per unita’ di massa prodotta
Larga disponibilita’ del conbustibile primario
Emissione di gas ad effetto serra (CO2) nulla
Assenza di prodotti di reazione (scorie pimarie) radioattivi
Tempi di dimezzamento delle scorie secondarie (materiali
attivati dal funzionamento del reattore) di ~ 80 anni
• Operazione intrinsecamente sicura del reattore a fusione
• Anche nel caso di perdita di confinamento totale la
contaminazione atmosferica e’ inferiore ai limiti di
pericolosita’
Cerchiamo di spiegare i
principali tra questi punti
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Energia prodotta da fusione
• 1 g di idrogeno (miscela deuterio-trizio), fornisce da fusione tanta
energia quanta è fornita da 18 tonnellate di benzina!
• La FUSIONE e’ MOLTO INTERESSANTE dal punto di vista
energetico Energia media sviluppata per nucleone ~ 5-6 MeV, da
confrontare con FISSIONE – U235: energia media sviluppata per
nucleone ~ 0.8 MeV
• La reazione piu’ interessante dal punto di vista tecnologico (elevato
“tasso di reazione”, elevata liberazione di energia) coinvolge due
isotopi dell’idrogeno:
Deuterio (D)
Stabile, presente nell’acqua
(33 g di D ogni m3 di H2O)
potenzialmente infinito!
Trizio (T)
Instabile
(Non si trova in natura, ma deve
essere prodotto “in loco”)
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La reazione di fusione D-T (I)
La reazione di fusione libera un
neutrone e una particella (nucleo di
elio) con elevata energia cinetica
2D
+ 3T n (14.1 MeV) + 4 He (3.5 MeV)
Per sfruttare l’energia della fusione bisogna saper
estrarre in modo efficiente l’energia dai neutroni
MA il bombardamento dei materiali strutturali da
parte dei neutroni veloci provoca danni molto seri
frequenti sostituzioni con tecniche da remoto
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(problemi di attivazione)
Bisogna poter smaltire le
ceneri di He
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Ma dove prendo il Trizio?
• Il Trizio non e’ disponibile in natura perche’ e’ radioattivo e quindi
“decade”, si trasforma cioe’ in atomi piu’ stabili
• Si pensa alla produzione di 3T in ciclo chiuso nel reattore il 3T
necessario alle reazioni di fusione puo’ essere prodotto sfruttando
l’assorbimento di un neutrone veloce da parte del litio:
Li7 + n T + He4 + n – 2.5 MeV
Se il neutrone proviene dalla reazione D+T, nella
macchina a fusione si puo’ instaurare ciclo
rigenerativo!
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Come si puo’ ottenere
la fusione tra nuclei?
• La reazione di fusione richiede inizialmente una energia sufficiente per
vincere la forza di repulsione tra i nuclei i reagenti vanno riscaldati
fino a temperature per le quali il moto di agitazione termica sia
sufficiente per realizzare la fusione tra i nuclei = diversi milioni di
gradi!
• In queste condizioni gli atomi sono completamente IONIZZATI, sono
cioe’ completamente scissi in particelle cariche: nuclei (ioni +) ed
elettroni (ioni -) stato di aggrezione di PLASMA
Lo sviluppo di un reattore a fusione richiede la creazione di PLASMA
ad elevata temperatura, che va mantenuto per un tempo sufficiente
(
= tempo di confinamento) a far avvenire un numero di
reazioni di fusione tale da garantire GUADAGNO
di energia
Bisogna scaldare il PLASMA
Bisogna confinare il
per portarlo a temperature di
PLASMA per evitare che si
milioni di gradi
espanda a causa della sua
energia termica,
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dissipandola
Il fattore di guadagno o di
amplificazione
• Il fattore di guadagno o di amplificazione Q in un reattore a fusione è
definito come il rapporto fra la potenza prodotta nel reattore, e la potenza spesa
per mantenere il PLASMA del reattore in equilibrio (cioe’ in condizioni
stazionarie):
Potenza prodotta dalle
reazioni di fusione
Potenza spesa per il
riscaldamento
• La condizione minima per mantenere “viva” la reazione di fusione è che la
potenza immessa nel plasma eguagli la potenza prodotta dalle reazioni di
fusione Q = 1 = condizione di pareggio o di breakeven.
• La condizione in cui la temperatura del plasma si autosostiene, senza la
necessità di immettere potenza dall'esterno ( PR = 0) e corrisponde a Q = =
condizione di ignizione.
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Confinamento
del plasma termonucleare
• Per raggiungere le condizioni vantaggiose per la fusione nucleare in un
reattore (= produrre piu’ energia di quanta ne consumi), si deve
realizzare la condizione (criterio di Lawson):
Temperatura
Densita’ del plasma
“prodotto triplo”
Tempo di confinamento del plasma
• I reattori possono in linea di principio operare in due regimi:
– A densità estremamente elevate, e tempi di confinamento del
plasma piccoli confinamento inerziale
– A temperature elevate, basse densità, e tempi di confinamento
del plasma relativamente alti confinamento magnetico,
ottenuto ad es. nelle macchine di tipo TOKAMAK
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Il confinamento inerziale
• Il combustibile nucleare può essere
compresso in tempi sufficientemente brevi
con un bombardamento di fotoni, di altre
particelle o tramite un'esplosione.
• Il confinamento inerziale e’ stato realizzato (in
maniera incontrollata) nelle bombe all’idrogeno,
dove una esplosione provocata da una bomba a
fissione nucleare genera raggi X che creano
un'onda termica che, propagandosi nella testata,
comprime un piccolo cilindro di combustibile
per fusione (D + T)
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Il confinamento inerziale
in laboratorio
In laboratorio il processo di fusione
inerziale puo’ essere realizzato da
fasci di raggi laser o fasci di
particelle accelerate focalizzati su
una microsfera di alcuni millimetri
di diametro contenente come
combustibile una miscela di deuterio
e trizio allo stato liquido.
Approfondimento sulla
fusione inerziale
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Il confinamento magnetico
• Il PLASMA, costituito da particelle cariche, puo’ essere confinato
sfruttando la forza di Lorentz attraverso opportuni CAMPI
MAGNETICI esterni.
• La geometria piu’ interessante per
confinare il plasma termonucleare e’
quella TOROIDALE:
- Tokamak (…)
- Stellarator
- (Reversed-field pinch)
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Tokamak: storia
•La configurazione magnetica tipo Tokamak è il
risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati
russi Andrei Sakharov e Igor Tamm - in Occidente
•Nel 1955 gli scienziati
questa configurazione era ignota.
occidentali, alla Conferenza
Nello stesso periodo, negli USA Lyman Spitzer, a
internazionale sull’uso pacifico
Princeton, studiava la configurazione tipo Stellarator. dell’energia atomica a Ginevra,
scoprirono l'esistenza del
•Nel 1958, nella seconda conferenza di
Tokamak
Ginevra, furono resi noti i dettagli di come
costruire una macchina basandosi sul
principio del Tokamak.
•Nel 1968, gli scienziati russi resero noto di avere
•Gli scienziati continuarono quindi i raggiunto una temperatura degli elettroni di oltre
1 keV in un Tokamak, prestazioni di molto
test sulla fusione utilizzando
superiori a quelle ottenute fino ad allora.
principalmente il Tokamak (ma
anche sugli Stellarator si fa ancora
ricerca!)
• Il Tokamak è a oggi considerato come una delle più promettenti vie
per generare energia tramite fusione nucleare: e’ un Tokamak anche
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il reattore nucleare a fusione ITER, in costruzione in Francia. 17
Tokamak
Tokamak principle
back
Camera a vuoto nel reattore
JET (UK) e …
… scarica del plasma
Approfondimento Sul principio e
funzionamento dei tokamak
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Schema di principio di un
reattore “di potenza” a fusione
Preparazione e
immissione del
combustibile
TOKAMAK
Parte
“convenzionale”
dell’installazione
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Le macchine tokamak
• Le macchine
tokamak costruite ad
oggi mostrano un
raddoppio del “triplo
prodotto” ogni 2 anni
circa
• Siamo ancora un
fattore 10 circa sotto
quello che servirebbe
per un reattore “di
potenza”
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Il reattore ITER
• La costruzione del reattore a
fusione ITER e’ stata approvata
nel giugno 2005
• Il progetto prevede una spesa di
~ 10 GEuro (50 % EU, 50 % da
dividere tra JA, US, RF, CN,
KO, IN)
• Sono previsti 10 anni per la
costruzione (inizio dal 2007) +
20 anni di operazione
• Il sito del reattore e’ a
Cadarache (F)
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Dove?
~ 310 km
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Il sito di ITER
e CEA Cadarache
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Scopo di ITER
• Lo scopo programmatico di ITER e’: “to demonstrate the scientific
and technological feasibility of fusion power for peaceful purposes”:
– ITER dovra’ produrre piu’ energia di quanta ne consumi
(l’obbiettivo e’ arrivare a fattori di guadagno Q = 10, o comunque >
5) nel plasma la maggior parte del riscaldamento deve provenire
dalle reazioni di fusione nucleare.
– ITER dovra’ sperimentare le tecnologie e i processi chiave
necessari per i futuri reattori a fusione nucleare: magneti
superconduttori, componenti in grado di sopportare flussi termici
elevatissimi, manutenzione da remoto.
– ITER dovrebbe sviluppare e provare le tecnologie per ottenere il
trizio dai materiali contenenti litio, posti all’interno del mantello o
“blanket”, in grado di sopportare in maniera efficace le elevate
temperature che ci sono nella zona che circonda il plasma.
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I magneti superconduttori
di ITER
Solenoide
centrale
Magneti del
campo toroidale
Tutti i magneti in ITER
utilizzano cavi
SUPERCONDUTTORI
Magneti del campo poloidale
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Cavi e magneti superconduttori
per ITER
I magneti superconduttori per i tokamak devono trasportare elevatissime correnti
(fino a ~ 70-80 kA) per generare alti campi magnetici (fino a ~ 13 T)
Nei cavi per i magneti vengono impiegato materiali superconduttori a
bassa temperatura critica (Nb3Sn o NbTi)
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I moduli del “blanket”
• Il componente di un reattore tokamak preposto alla produzione del trizio, come pure
all’assorbimento del calore dei neutroni si chiama MANTELLO o BLANKET.
• In ITER verrano provati moduli
di mantelli triziogeni, che
devono avere i seguenti requisiti:
– Efficienza di produzione ed
estrazione del litio
– Buone proprieta’ termomeccaniche sotto
irraggiamento neutronico
– Temperatura di lavoro
adeguata e compatibile
– Buona sicurezza e
affidabilita’
Modulo di
– Fattibilita’ tecnologica
blanket
– Compatibilita’ con i
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materiali presenti
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Oltre ITER il “Next Step”:
i reattori DEMO e PROTO
La “corsia veloce” per la fusione (“fast track to fusion”) prevede,
dopo ITER, la costruzione di:
– Reattore DEMO, che sarà utilizzato per dimostrare tutte le
tecnologie che accompagnano il reattore e per produrre, per
la prima volta, quantità significative di elettricità a partire
dall'energia di fusione . TEMPO STIMATO per l’inizio
della costruzione ~ 15 anni, per l’operazione ~ 30 anni
– Reattore PROTO, funzionerà come un prototipo di centrale
elettrica, che integrerà gli eventuali dettagli tecnologici
restanti e dimostrerà la fattibilità della produzione elettrica a
titolo commerciale a costi competitivi. TEMPO STIMATO
per l’inizio della costruzione ~ 35 anni, per l’operazione ~
50 anni
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Dove trovare altre informazioni?
•
•
•
•
www.iter.org
www.efda.org
http://fusionforenergy.europa.eu/
http://www.enea.it/attivita_ricerca/tecnologie_futuro.html
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Fusione a confinamento inerziale
•I fasci laser riscaldano velocemente
lo strato superficiale della microsfera
provocando, per ablazione dello
stesso, l'implosione del combustibile
contenuto nella microsfera.
• La compressione adiabatica prodotta
nel combustibile ne innalza la
temperatura e la densità fino a
raggiungere le condizioni di ignizione.
• L'inerzia dei nuclei D e T mantiene
unito il combustibile per il tempo
necessario allo sviluppo di un numero di
reazioni di fusione sufficiente ad avere
un bilancio energetico globale positivo.
• Terminata la spinta di compressione
inerziale il numero di reazioni di fusione si
riduce drasticamente fino all'annullamento
mano mano che la miscela combustibile si
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espande.
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Il tokamak:
sistema dei magneti
• In un tokamak il plasma e’ confinato
mediante da un campo magnetico elicoidale
• Questo e’ ottenuto dalla combinazione di un
campo magnetico toroidale (prodotto da
magneti posti intorno alla “ciambella”) con
un campo magnetico poloidale realizzato
mediante la corrente indotta nel plasma
dall' esterno (si ottiene da un solenoide posto
al centro del toro, che opera come il primario
di un trasformatore)
• Altre bobine controllano la posizione del
plasma
Le particelle di plasma si avvitano intorno alle
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linee di forza del campo
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Tokamak:
principio di funzionamento
• In un tokamak, come condizione iniziale viene creato un vuoto spinto
o ultraspinto (10-3 torr), mediante apposite pompe a vuoto.
• L'accensione della corrente di plasma nella camera toroidale avviene in
tre tempi:
– Si immette corrente nei magneti del campo toroidale;
– Si immette una piccolissima quantità di gas
(pochi grammi di D e T) nella camera a vuoto
– Si immette corrente nel solenoide centrale
Facendo calare bruscamente la corrente nel solenoide centrale, il
combustibile viene ionizzato (come in presenza di un fulmine), si crea
una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra
elettroni e atomi il gas non è più neutro, ma è diventato plasma
• Si scalda il plasma a temperature termonucleari (~ 20 keV)
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Tokamak:
riscaldamento del plasma
• Per il raggiungimento delle condizioni di fusione un fattore importante
è la temperatura del plasma, per l'innalzamento della quale viene
trasmessa altissima energia al plasma attraverso varie tecniche:
– Riscaldamento ohmico: consiste nello
sfruttare il riscaldamento indotto dalla
–Riscaldamento attraverso
corrente nel plasma;
microonde: un sistema di
antenne emette radiazioni
– Riscaldamento per iniezione di fasci di atomi
con la stessa frequenza con
neutri (che possono penetrare nel plasma senza
cui “vibrano” le particelle
subire disturbo dalle cariche elettriche che lo
del plasma, scaldandolo;
costituiscono) nel penetrare nel plasma questi
fasci neutri si ionizzano e trasferiscono parte
della loro energia cinetica al plasma per urto.
• Il riscaldamento del plasma richiede il dispendio di grandi quantita’ di
energia
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