Stato e Prospettive delle Ricerche sulla
Fusione Termonucleare Controllata
Istituto di Fisica del Plasma
del Consiglio Nazionale delle Ricerche
Associazione EURATOM-ENEA-CNR
Maurizio Lontano
[email protected]
www.ifp.cnr.it
www.cnr.it
IFP-CNR, Open Day, 14 Maggio 2013
♦ il CNR: il più grande ente pubblico italiano di ricerca
Fondato nel 1923 (novantesimo compleanno nel 2013)
Circa 8000 unità di personale (60% ricercatori) + 3000 ricercatori associati esterni
Sede a Roma
107 Istituti distribuiti sul territorio nazionale
7 Dipartimenti
à
ente multidisciplinari
♦ l’Istituto di Fisica del Plasma P. Caldirola Fondato nel 1976
Dal 1983 l’IFP partecipa all Associazione EURATOMENEA sulla Fusione come Unità di Ricerca assieme a
ENEA-Frascati ed RFX-Padova
22 Ricercatori staff
7 Ricercatori a contratto
10 Ricercatori esterni associati
La Fusione in EU
Milano
IFP-CNR
Padova
RFX
ITER
F4E-Barcellona
Frascati
ENEA
La fusione nucleare
- È una reazione nucleare in cui
due nuclei di elementi leggeri
(es., 2H e 3H) si uniscono, ovvero si
fondono in un unico nucleo (4He)
- È alla base della formazione dei nuclei degli elementi più pesanti
- La reazione è accompagnata da rilascio di energia ⇒ ΔE = Δm·c2
* 106 volte l energia rilasciata in una reazione
chimica di combustione ⇒
un reattore da 1 GW userebbe 1 kG/g di D+T, un
impianto a carbone 10.000 ton di carbone
(*)
Sezioni d urto e tasso di reazione
σ(|v-v |)
energia relativa (keV)
distribuzione dei reagenti
sezione d urto (m2)
- la reazione più probabile a temperature più basse è la D+T - si possono ottenere reazioni di fusione D+T a 10-20 keV
energia
1 eV ≈ 11.000 °C
Le reazioni di fusione in laboratorio
D + T → 4He (3.52 MeV) + n (14.1 MeV) T ≈ 10 - 20 keV
50 %
D+D
50 %
3He
(0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
T ≈ 30 - 40 keV
T (1.01 MeV) + p (3.03 MeV)
reazioni senza neutroni !
D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) T ≈ 100 keV
11B
+ p → 3 × 4He (8.7 MeV) T ≈ 200 keV
1 eV ≈ 11.000 °C
La produzione di Tritio nella DT
- il T è un isotopo radioattivo di H con τ1/2 ≈ 12 anni,
quindi non si trova in natura
- può essere prodotto direttamente in un ciclo chiuso
del reattore: n + 6Li → 4He + T
7Li → 4He + T + n n
+
- oppure reperito, in quantità limitata, tra i prodotti
di reazione di alcuni reattori a fissione
Schema di reattore a fusione
D + T ! n + 4He + 17.6 MeV
" #
4.8 MeV + 4He + T $ n + 6Li
L ambiente
idoneo
per?
produrre
cosapiù
è un
plasma
reazioni di fusione è un plasma
- plasma è lo stato della materia caratterizzato da un elevato grado di ionizzazione ma complessivamemente neutro
- pertanto gli atomi sono prevalentemente scissi in
elettroni, carichi negativamente, e ioni positivi
- nella dinamica del sistema dominano le interazioni
con i campi elettrici e magnetici, sia quelli applicati
dall esterno sia quelli prodotti dalle cariche in moto
mp
" 1836
me
- sistema di N particelle cariche (elettroni, ioni,…) N >> 1
mutuamente interagenti
- l interazione, che avviene attraverso i campi elettrici e magnetici,
è a lungo raggio, a differenza di quanto avviene in un gas
ordinario (urti per contatto tra palle da biliardo) à effetti collettivi
urto tra due atomi
in un gas neutro
interazione simultanea tra
particelle cariche in un plasma
Effetti collettivi nei plasmi
- la dinamica di un plasma è dominata dai cosiddetti
effetti collettivi :
ossia stati di equilibrio o moti del gas che esistono solo se N >> 1 e non sono presenti se N è poche unità
- moti collettivi si manifestano sotto forma di onde
ed oscillazioni di densità di carica che esistono solo in un plasma e non in un fluido convenzionale
- in situazioni particolari tali oscillazioni possono diventare instabili e crescere in ampiezza in maniera incontrollata, distruggendo l equilibrio
Esempio di effetto collettivo:
lo schermo di Debye Un effetto statico:
Q > 0
Q < 0
se immergiamo una carica Q
λD
in un plasma, gli elettroni si
mettono in moto in maniera
da creare un eccesso di carica
di segno opposto
3
D
N" >>1
Il potenziale risultante
il potenziale elettrostatico, che
nel vuoto sarebbe Q r ,
viene schermato su una
distanza "D = K B Te 4# ne 2
Q exp$" r &
r
% #D '
potenziale nel vuoto
schermo dovuto al plasma
$ r '
Q
exp& " )
r
% #D (
Q
r
Un moto collettivo :
oscillazioni di cariche
- uno sbilanciamento di carica macroscopico (N >> 1) ad un certo
istante innesca oscillazioni di plasma (longitudinali)
- in situazioni particolari tali oscillazioni possono diventare
instabili e crescere in ampiezza in maniera incontrollata
Plasmi in natura: 99.99% della materia visibile dell'Universo Plasmi in laboratorio: applicazioni varie, fusione
… perché la fusione in un plasma ?
- per fondersi i due nuclei di H (D e T)
devono superare la forza repulsiva di Coulomb
- a questo scopo i due ioni devono collidere a gran velocità
- ciò si può realizzare in un gas ad alta
temperatura sfruttando le elevate
velocità dei suoi costituenti…
… ossia gli ioni di un plasma !
- che una gran quantità di energia possa essere prodotta dalle
reazioni di fusione è un fatto ben noto
- accade all interno delle stelle e
nelle esplosioni termonucleari
- tuttavia noi vogliamo controllare il processo per ricavarne energia
a scopi civili e pacifici
condizioni da realizzare
- un plasma sufficientemente denso (n ≈ 1020-1021 m-3) deve essere confinato in una regione di spazio ben definita evitando il contatto del gas con le pareti del contenitore - il plasma deve essere riscaldato a temperature molto elevate, dell ordine di diverse centinaia di milioni di °K
- il plasma deve essere isolato termicamente dall esterno - il plasma, cosí confinato, deve essere controllato da un
operatore e l energia, che viene prodotta dalle reazioni di
fusione, deve essere raccolta e trasformata in energia elettrica
Come realizzare le condizioni di combustione
termonucleare in maniera controllata?
Fascio di
powerful
laser or radiazione
ion beam converge
on the target (≈mm)
Ablazione
surface
superficiale
Flusso di energia termica
ablation
thermal
energy
verso l’interno
flux inward
compression
Compressione:
ignition
Ignizione:
confinamento
⇒
inerziale
heating
phase
Riscaldamento:
burn Combustione:
un impulso di radiazione
La rapida espansione del Quando la parte centrale del La combustione t.n. si espande
(luce, raggi X, particelle
plasma prodotto in supeficie combustibile ha raggiunto
rapidamente e coinvolge
veloci) riscalda la superficie
provoca per reazione la
20 volte la densita’ del Pb tutto il combustibile compresso
del bersaglio (R=2-3 mm) compressione del combustibile
a 108 °K, hanno luogo
rilasciando molta piu’ energia
le reazioni termonucleari
di quanta ne sia stata spesa
confinamento
⇐
magnetico
(il tokamak)
Effetto di un campo magnetico
senza campo magnetico
- particelle cariche in un campo
magnetico spiraleggiano attorno
alle linee di forza del campo
con campo magnetico
- il loro moto attraverso le linee di
campo magnetico è impedito
- è il principio del
confinamento
magnetico
n
! c ! 3/2 Collisioni !
T
fL ≈ qB/m
2
rLi = 0.14 cm
H,
T
=
10
keV,
B
=
5
T
rLe = 5×10-3 cm
rL ≈ v/f
Confinamento magnetico
Confinamento magnetico
Confinamento magnetico
campo magnetico “toroidale!
Confinamento magnetico
Le correnti indotte nel plasma lo scaldano
(per effetto Joule) e generano
il campo magnetico “poloidale”
Confinamento magnetico
Il tokamak BP
BT
Campo!
magnetico poloidale!
Campo !
Magnetico toroidale!
Le superfici magnetiche
Il tokamak il tokamak inventato nel 1958 da
Artsimovich (URSS)
il tokamak si comporta
come un trasformatore, in
cui la spira di plasma è il
circuito secondario à non stazionario
plasma tenue ad altissima temperatura
per scaldare il plasma …
… a T > 100 milioni ºC possiamo:
- sfruttare l effetto Joule
(non efficace oltre 1 keV)
- iniettare fasci di atomi ad alta energia
(dell ordine di 100 keV - 1 MeV)
3000 – 10000 Km/s
- iniettare radiazione elettromagnetica ad alta potenza
(con frequenze nell intervallo 100 MHz - 200 GHz)
luce visibile ⇒ 400 - 790 THz (1 THz = 1012 Hertz)
Il tokamak più grande: JET
6 m
15 m
Abingdon, UK
Una scarica tokamak: il JET
Progresso nella fusione
triplo prodotto
n i " E Ti (#10 20 m$3 % s % keV)
!
1eV = 11.605°K
1keV ! 11milioni °K
temperatura degli ioni
Ti (keV)
70
80
90
Potenza da fusione prodotta
Q = 10.7 / 39.5 = 0.27 (TFTR,1994)
Q = 16 / 22 = 0.7 ( JET,1997)
!
obiettivi futuri
Q = 5 " 10 (ITER)
Q = 50 (DEMO, reattore)
Q = Pfus Paux
Il passo successivo : ITER
30 m
30 m
in costruzione a Cadarache, Provenza
sperimentazione 2020-2030
Obiettivi di progetto di ITER
Fisica:
• ITER è progettato per produrre un plasma dominato dal
riscaldamento delle particelle α (Pα > Paux)
• per produrre un valore significativo del fattore di amplificazione di
potenza (Q ≥ 10) in operazioni con impulso lungo (400 s)
• per raggiungere un regime di operazione tokamak stazionario (Q = 5)
• non si esclude la possibilità di accedere a regimi di “ignizione
controllata” (Q ≥ 30)
Tecnologie:
• dimostrare l’operazione integrata di diverse tecnologie richiesta da un
impianto di potenza a fusione
• eseguire test su componenti necessari in un reattore a fusione
• eseguire test su diversi tipi di moduli tritiogeni
Il passo successivo : ITER
Diametro
Volume
Potenza di fusione
Corrente di plasma
~ 4 MA ~ 15 MA
Valore del progetto: ca 15 G€
5/11 il Paese che ospita ITER (Unione Europea)
1/11 ciascuno degli altri partner
Il prototipo di reattore a fusione:
DEMO
L obiettivo a lungo termine del programma fusione:
- Previsto l inizio della costruzione nel 2030:
> diametro ≈ 17 m
> potenza di fusione ≈ 2.5 – 5 GW
- Energia elettrica da un reattore commerciale nel 2050 ca
La sicurezza
Un reattore a fissione
Un reattore a fusione
- è come una batteria elettrica:
viene caricato per funzionare per ✕✕✕ anni
- è come una caldaia:
senza un continuo rifornimento di combustibile
si spegne
Un reattore intrinsecamente sicuro
- I prodotti delle reazioni sono elementi
stabili (4He), mentre quelli delle reazioni di fissione sono radioattivi
- I materiali attivati possono essere riutilizzati dopo ca 100 anni dopo la
dismissione; le scorie dei reattori a fissione decadono su diverse migliaia
di anni (fino ad un milione di anni)
- Un reattore a fusione non porta a proliferazione
- In un reattore a fusione non sono
possibili reazioni incontrollate
Il ruolo di formazione/training
- Altissima priorità nel programma europeo
http://www.fusenet.eu/ - Garantire l’attuale livello nella ricerca à 2500 FTE / 4000 ricercatori
- Nell’industria à 5000 Professionals per ITER / 10000 Pr. per DEMO
à 300 Professionals / anno nel sistema
T ~10-15 millions ºK
1.500.000 km
T ~100-300 millions ºK
1 m
Link sulla fusione
http://www.ifp.cnr.it
→
IFP-CNR, Milano
→
→
sito ufficiale ITER
FIRE U.S.A.
http://www.fusione.enea.it http://ftu.frascati.enea.it →
→
ENEA fusion
ENEA Frascati
http://www.iter.org http://fire.pppl.gov http://www.efda.org/downloads/ →
http://www.jet.efda.org
→
http://fusionforenergy.europa.eu/ →
EFDA/downloads
EFDA-JET
Fusion for Energy Sites with plasma links
http://plasma-gate.weizmann.ac.il/PlasmaI.html
http://fusedweb.llnl.gov/sites.html
http://www.plasmas.org/index.html
