IFP-CNR, Open Day, 25 Marzo 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
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
n + 7Li → 4He + T + n - oppure reperito, in quantità limitata, tra i prodotti
di reazione di alcuni reattori a fissione (CANDU)
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) 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
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
con campo magnetico
- particelle cariche in un campo
magnetico spiraleggiano attorno
alle linee di forza del campo
- il loro moto attraverso le linee di
campo magnetico è impedito
- è il principio del
confinamento
magnetico
n
! c ! 3/2
T
Collisioni !
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 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)
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
Partecipazione italiana al programma fusione
- partecipazione alla costruzione di ITER
e alle attività internazionali bilaterali EU-JA (Broader Approach )
- realizzazione dell’impianto di prova per il sistema di Iniezione di Particelle Neutre (NBI) per ITER ⇒
RFX-PD
- partecipazione alla costruzione di componenti complessi dell’impianto ECRH per il riscaldamento RF del plasma di ITER ⇒
IFP-MI
- sviluppo di diagnostiche del plasma t.n.
⇒
IFP-MI
- partecipazione alle attività di R&S per il reattore DEMO
- svolgimento di un intenso progr. di accompagnamento
- proposta di costruzione di un nuovo tokamak europeo FAST/DTT (It.)
Il ruolo di formazione/training
- Altissima priorità nel programma europeo
http://www.fusenet.eu/ - Garantire l’attuale livello nella ricerca 2500 FTE / 4000 ricercatori
- Nell’industria 5000 Professionals per ITER / 10000 Pr. per DEMO
200 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
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
