02/04/2012
LEZIONE 5 – MERCOLEDÌ 4 APRILE 2012
LA FUSIONE NUCLEARE
Seminario di energetica | ITIS G. Marconi (Verona) | dott. Riccardo Maistrello
CONSORZIO RFX
Quanto contenuto in questa presentazione è
estratto dal testo “Fisica e ingegneria della
fusione: la ricerca verso una nuova fonte di
energia”, redatto per fini didattici dal Consorzio
RFX e liberamente scaricabile dal sito web.
Link diretto: http://www.igi.pd.cnr.it/wwwedu/index.html
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STRUTTURA DELLA MATERIA /1
Nell‟antichità si immaginava che la materia fosse
composta da piccole particelle indivisibili,
chiamate “atomi”. Già nel 1800 Prout mette in
discussione questa visione, intuendo che gli atomi
non sono tutti uguali e che probabilmente possono
essere scomposti in particelle più piccole.
Seguono nei secoli XIX e XX numerose e varie
formulazioni che originano differenti modelli, come
quello di Rutherford (1911 - modello planetario: tutta la
massa è concentrata in un punto, detto “nucleo”, e le cariche
elettriche ruotano attorno a tale nucleo come i pianeti attorno
al Sole), poi migliorato con il modello di Bohr-
Sommerfeld.
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STRUTTURA DELLA MATERIA /2
Già dagli anni „20 la comunità scientifica si è resa conto
dell‟impossibilità di descrivere quantitativamente ed in
maniera completa la fisica dei fenomeni che hanno luogo
a livello atomico (principio di indeterminazione di Heisenberg).
Dobbiamo limitarci ad una descrizione probabilistica
dell‟universo
atomico, perché una descrizione
deterministica è impossibile.
Einstein ha sempre avversato questo approccio, che ha
portato alla nascita della meccanica quantistica, che si
ispira ai lavori di Bohr e Heisenberg (nel corso di una
discussione epistolare col primo, Einstein avrebbe detto
la celebre frase “Dio non gioca a dadi con l‟universo”).
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STRUTTURA DELLA MATERIA /3
Ai fini del nostro studio considereremo la materia
come composta da atomi. Elementi chimici diversi
hanno atomi con caratteristiche diverse.
La struttura degli atomi è però comune: un nucleo
composto da (neutroni e) protoni, circondato da
una “nube” di elettroni.
Neutroni, protoni ed elettroni, sono considerati
particelle elementari, cioè non ulteriormente
scindibili.
Elettrone: carica elettrica -1,6 x10^(-19) C, massa 9,11 x 10^(-31) kg
Protone: carica elettrica +1,6 x10^(-19) C, massa≈1800 x massa_el
Neutrone: carica neutra, massa leggermente superiore al protone
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STRUTTURA DELLA MATERIA / 4
In figura appare un
atomo di idrogeno
(H), che è l‟elemento
più semplice e
leggero dell‟universo.
È composto da un
protone (carica
elettrica positiva) e
da un elettrone
(carica negativa).
Non ha neutroni.
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STRUTTURA DELLA MATERIA / 5
Atomi più complessi hanno
nuclei più pesanti,
composti da protoni e
neutroni, attorno ai quali
ruotano elettroni disposti
su orbite (orbitali)
differenti, con livelli di
energia distinti.
Il ferro, ad esempio, ha ben
26 protoni e, se elettricamente neutro, 26 elettroni.
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EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA / 1
Abbiamo già visto che l‟energia si manifesta in
infinite forme (cinetica, potenziale, chimica,
elettromagnetica etc.) e che si conserva
sempre.
Einstein (1905 – Teoria della relatività ristretta) provò che
anche la massa è una forma di energia e che
l‟una si può trasformare nell‟altra.
E = ∆m x c^2
Se in una reazione nucleare c’è una variazione di massa,
la quantità ∆m si trasforma integralmente in energia
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EQUIVALENTE MASSA-ENERGIA / 2
Poiché il termine c^2 è enorme (c è la velocità
della luce, 300‟000 km/s circa), bastano
variazioni infinitesimali della massa di un
sistema per liberare energie elevatissime.
Δm
c^2
ΔE
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ESTRATTO DA DISPENSA
La reazione di fusione nucleare permette di ricavare energia
grazie al fenomeno naturale conosciuto come "Difetto di Massa".
Se in una trasformazione nucleare si ha una riduzione della
massa Δm , viene liberata un’energia pari al prodotto di tale
riduzione Δm per il quadrato della velocità della luce c^2. È chiaro
quindi che, anche se questa quantità Δm è piccolissima, essa
viene moltiplicata per un numero enorme, dando alla fine una
quantità apprezzabile di energia.
[…] Il nuovo modello atomico consente di immaginare l'atomo
formato da un nucleo, i cui costituenti, detti nucleoni, sono i
protoni, aventi carica elettrica positiva, e i neutroni; attorno al
nucleo ruotano gli elettroni, con carica elettrica negativa. La
carica elettrica complessiva dell'atomo è nulla perché il numero di
elettroni è uguale a quello dei protoni.
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LA FISSIONE NUCLEARE/1
Nella reazione di fissione un isotopo “grosso e pesante” di
uranio (U-235) o plutonio (Pu-239) viene bombardato con
neutroni affinché perda stabilità e si spezzi, liberando energia.
Il problema della fissione è che i prodotti della reazione sono
altamente instabili e richiedono migliaia di anni prima di
stabilizzarsi. In questi anni continuano a rilasciare energia
(radiazioni) e trasformarsi.
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LA FISSIONE NUCLEARE /2
Vediamo un esempio di reazione:
U235 + n B140 + Kr93 + 3 n + 192 MeV
Un isotopo di U235 che fissioni dopo l‟impatto con
un neutrone n produce isotopi più leggeri (del
Bario e del Kripton) e libera inoltre altri neutroni
(che posso essere utilizzati per mantenere la
reazione di fissione e realizzare quindi una
“reazione a catena”) ma soprattutto libera energia
(2,76 x 10^(-11)J).
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LA FISSIONE NUCLEARE / 3
Che energia sarà quella posseduta dai prodotti
della fissione?
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LA FISSIONE NUCLEARE / 3
Che energia sarà quella posseduta dai prodotti
della fissione?
È energia cinetica di tutti ciò che ha massa,
prodotto dalla fissione. Stiamo parlando, nel caso
dell‟esempio, degli isotopi di bario e kripton e dei
neutroni, che schizzano via a velocità elevatissime
e che vanno, infatti, rallentati ( moderatore).
Questo rallentamento sottrae energia cinetica
trasformandola di calore, che poi viene utilizzato in
un processo generativo termoelettrico.
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LA FUSIONE NUCLEARE
Nella reazione di fusione avviene il contrario. Due isotopi
leggeri vengono fatti impattare l‟uno contro l‟altro con energie
enormi (in grado di vincere le forze di repulsione
elettromagnetica) affinché si fondano. Il prodotto dello scontro
è un isotopo non stabile che deve emettere energia per
stabilizzarsi, ma lo fa in tempi molto brevi e senza rilasciare
emissioni “pericolose”.
Il processo di fusione ha
luogo in ogni momento
nel nostro Sole (e nelle
stelle) dove –grazie alle
temperature ed alle
pressioni elevatissime –
gli atomi di idrogeno si
fondono per produrre
atomi di elio (+ calore!!!).
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ENERGIA DA FISSIONE VS. FUSIONE
L‟energia liberabile da una reazione di fusione è molto
maggiore di quella liberata dalla fissione. Questo dipende da
un ∆m molto maggiore e dalla natura fisica degli elementi
coinvolti.
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PROBLEMI DELLA FISSIONE
Come detto, occorre fornire agli isotopi coinvolti
un‟enorme energia affinché superino le forze di
repulsione elettrostatica che tenderebbero ad
allontanarli e possano arrivare a “toccarsi” e
“fondersi” (lavoro delle forze di attrazione nucleare).
Dagli anni „50 gli ingegneri del pianeta si
chiedono: il sistema produce più energia di
quella che mi occorre per mantenerlo “in vita”?
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CRITERIO DI DAWSON / 1
Risponde, nel 1957, Dawson: affinché una
reazione di fusione Deuterio-Trizio (la più
comune e conveniente) porti ad una
produzione netta di energia occorre che:
n TE >6 x 10^19 [s/m3]
Alla temperatura di 230
MILIONI DI GRADI CENTIGRADI
con: n = densità nucleare[1/m3]
TE = “tempo di confinamento dell‟energia” [s]
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CONDIZIONI PER LA FUSIONE
Semplificando, per realizzare la fusione
abbiamo bisogno di un gas molto denso e
molto caldo.
PLASMI / 1
Ma a tali temperature (milioni di gradi) c‟è un quarto
stato della materia da considerare.
Sappiamo che lo stato solido è quello ad energia
termica minore; fornendo calore (energia) ho il
passaggio allo stato liquido e fornendo ulteriore calore
(energia) passo allo stato gassoso.
Solido
(ghiaccio)
Liquido
(acqua)
Gas
(vapore)
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PLASMI / 2
Ebbene cedendo ulteriore
calore posso arrivare a
spezzare non solo le
molecole, ma anche gli
atomi stessi, separando
definitivamente gli elettroni,
che vengono strappati via e
allontanati dal loro nucleo. Il
gas è ionizzato: compaiono
cioè principalmente ioni
positivi (nuclei che hanno
perso gli elettroni in orbita) e
ioni negativi (elettroni liberi).
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PLASMI / 3
Se vogliamo fornire ai
singoli atomi di Deuterio
e di Trizio abbastanza
energia da superare la
Barriera di Coulomb e
raggiungere la fusione,
dobbiamo
riscaldarli
molto e quindi creare un
plasma di Deuterio e
Trizio.
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ESTRATTO DALLA DISPENSA
La Materia di cui siamo fatti e nella quale viviamo si presenta
solitamente in tre stati: solido, liquido, aeriforme: una medesima
sostanza può assumere il primo o il secondo o il terzo stato a
seconda dell'energia da essa posseduta, ovvero della
temperatura a cui la sostanza si trova.
Qual è la differenza tra gas e plasma? Nel plasma le molecole
sono dissociate in atomi e gli atomi sono in massima parte
ionizzati, ovvero i nuclei sono separati dagli elettroni. Il plasma è
quindi una miscela di ioni, di elettroni e di atomi neutri, che a
differenza dei gas (composti quasi solamente di particelle neutre)
è estremamente sensibile all’applicazione di campi elettrici e
magnetici. La nostra esperienza delle condizioni nelle quali noi
viviamo sulla Terra ci induce a ritenere il plasma uno stato
eccezionale della materia.
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CRITERIO DI DAWSON / 2
Il criterio di Dawson ha oggi solo valore storico,
esistono parametri più efficaci per descrivere le
caratteristiche del processo di fusione, come il
fattore di guadagno Q:
potenza prodotta da fusione /potenza immessa dall‟esterno
Con Q = 1 (pareggio) tutta l‟energia che immetto
viene poi compensata dalla produzione di energia
da fusione; con Q = ∞ (ignizione) il plasma si
autosostiene.
In un ipotesi di generazione elettrica Q sarebbe
compreso tra 10 e 100.
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CONFINAMENTO DEL PLASMA
Trovandosi a centinaia di milioni di gradi il plasma non può
entrare in contatto con alcun materiale, senza distruggerlo
immediatamente trasferendogli il calore posseduto ad
altissima temperatura.
Occorre confinare il plasma, mantenerlo cioè in una certa
posizione nel reattore in modo che non possa “fuggire”, senza
però “toccarlo” fisicamente.
Nel Sole è l‟enorme forza di gravità legata alla gigantesca
massa della stella che impedisce al plasma di allontanarsi e
disperdersi nell‟universo… ma sulla Terra, come fare?
Si sfrutta la natura del plasma, che è un gas ionizzato quindi
composto da ioni positivi e negativi, sensibili ai campi elettrici e
magnetici.
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CONFINAMENTO MAGNETICO / 1
Su una carica elettrica sottoposta ad un campo magnetico è
esercitata una forza proporzionale all‟intensità del campo ed
alla velocità ed alla carica elettrica della particella.
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CONFINAMENTOMAGNETICO / 2
Possiamo quindi controllare la posizione ed il moto degli ioni che
compongono il plasma immergendoli in un campo magnetico B.
Questo campo viene tipicamente generato da un solenoide, una
“bobina”, percorsa da una corrente elettrica. Ma c‟è il problema
che le linee di campo divergono (si “aprono”) alle estremità e
soprattutto che il solenoide ha uno sviluppo longitudinale di
lunghezza finita: prima o poi gli ioni scapperebbero fuori dalle
estremità…
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CONFINAMENTO MAGNETICO / 3
Gli ioni non “scappano fuori” dalle estremità se le unisco, se
cioè il percorso del plasma non ha né un inizio né una fine, è
cioè un percorso unico (tubo richiuso su sé stesso).
In realtà le particelle si urtano continuamente e quindi si
sviluppa comunque un moto di fuga radiale (dal centro verso
l‟esterno) ed inoltre la curvatura stretta del toro fa sì che le
particelle allarghino la propria traiettoria verso l‟esterno.
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CONFINAMENTO MAGNETICO / 4
La macchina utilizzata per la
fusione funziona come un
trasformatore,
con
un
avvolgimento primario (avvolto
intorno al nucleo) ed un
secondario (avvolto intorno al
toro).
Un campo magnetico variabile
permette di sviluppare una
elevata forza elettromotrice
che agisce sul gas inserito
nella macchina (dove sono già
presenti elettroni liberi) ed
induce una scarica che ionizza
il gas: ecco il plasma.
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RISCALDAMENTO DEL PLASMA
Attivato il plasma, occorre riscaldarlo. Si
sfrutta per questo la legge di Ohm: una
corrente elettrica I (scarica nel gas) che
fluisce attraverso un corpo con una certa
resistenza R (plasma) sviluppa potenza
(termica) P = R x I^2
Ma il plasma è un ottimo conduttore, al
crescere della sua temperatura crolla la
sua resistività: non posso raggiungere le
temperature di fusione scaldandolo per
effetto della legge di Ohm.
Si ricorre anche a riscaldamenti a
radioonde o con fasci di atomi neutri ad
alta energia (MW = mln watt)
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JET (EUROPA/1983)– VISTA DELL’INTERNO
DETTAGLIO DELLE PARETI INTERNE DEL TORO
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VISTA DALL’ESTERNO DI UNA
MACCHINA TOKAMAK
02/04/2012
UNA MACCHINA COMPLESSA….
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TOKAMAK, JET, ITER, DEMO
ITER (in origine International Thermonuclear Experimental Reactor, in
seguito usato nel significato originale latino, cammino) è un progetto
internazionale che si propone di realizzare un reattore a fusione
nucleare in grado di produrre più energia di quanta ne consumi per
l'innesco e il sostentamento della reazione di fusione. Nello specifico,
ITER è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è
ottenuto in un campo magnetico all'interno di una macchina
denominata Tokamak.
La sua costruzione è attualmente in corso a Cadarache, nel Sud della
Francia da un consorzio di Unione europea, Russia, Cina, Giappone,
Stati Uniti d'America, India e Corea del Sud. Il costo previsto è di 10
miliardi di euro.
ITER è un reattore sperimentale, il cui scopo principale è l'ottenimento
di una reazione di fusione stabile (500 MW prodotti per una durata di
circa 60 minuti) validando e, se possibile, incrementando le attuali
conoscenze sulla fisica del plasma. Inoltre, con ITER verranno
collaudate alcune soluzioni tecnologiche necessarie per la futura
centrale elettrica a fusione (DEMO).
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ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE
Leggere bene e con molta attenzione la
presentazione, in ogni sua parte. Se possibile
approfondire le informazioni leggendo qualche parte
della dispensa del Consorzio RFX.
Fare l‟esercitazione nr. 5 (è l‟ultima del corso, fatela
bene).
Spendete due minuti per la valutazione della didattica
(blog del corso: Valutazione della didattica).
Segnalate sviste ed errori a: [email protected]
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