IFP-CNR, Open Day, 25 Marzo 2013 - ISTP-CNR
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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 EURATOM- ENEA sulla Fusione come Unità di Ricerca assieme a ENEA-Frascati ed RFX-Padova 22 Ricercatori staff 7 Ricercatori a contratto 10 Ricercatori esterni associati
Milano
Padova
La Fusione in EU
IFP-CNR
RFX
ITER
Frascati
F4E-Barcellona
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 lʼenergia 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
- la reazione più probabile a temperature più “basse” è la D+T
- si possono ottenere reazioni di fusione D+T a 10-20 keV
σ(|v-vʼ|)
distribuzione dei reagenti
sezione dʼurto (m2)
energia
energia relativa (keV)
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 %
3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
D+D
T ≈ 30 - 40 keV
50 %
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 + nʼ
- 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
cosapiù idoneo
è un per ?produrre
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
dallʼesterno sia quelli prodotti dalle cariche in moto
mp
" 1836
me- sistema di N particelle cariche (elettroni, ioni,…)
N >> 1
mutuamente interagenti
- lʼinterazione, 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
interazione simultanea tra
in un gas neutro
particelle cariche in un plasmaEffetti 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 lʼequilibrioPlasmi 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 allʼinterno 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 Ablazione Flusso di energia termica
powerful
radiazione
laser or
surface
thermal energy
superficiale verso l’interno
ion beam converge
ablation
flux inward
on the target (≈mm)
confinamento
⇒
inerziale
heating phase
Riscaldamento: compression
Compressione: ignition
Ignizione:
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
- particelle cariche in un campo
senza campo magnetico
magnetico spiraleggiano attorno
alle linee di forza del campo
- il loro moto attraverso le linee di
con campo magnetico
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
rL ≈ v/f
rLe = 5×10-3 cmConfinamento 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! Campo !
magnetico poloidale! 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 temperaturaper 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
15 m
6 m
Abingdon, UKUna 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 = Pfus Paux
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)Il “passo successivo”: ITER
30 m
30 m
in costruzione a Cadarache, Provenza
sperimentazione 2020-2030Obiettivi 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 tritiogeniIl “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 partnerIl 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 caLa sicurezza
Un reattore a fissione
Un reattore a fusione
- è come una batteria elettrica:
- è come una caldaia:
viene “caricato” per
senza un continuo
funzionare per ✕✕✕ anni
rifornimento di combustibile
si spegneUn 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 T ~100-300 millions ºK
1.500.000 km
1 mLink sulla fusione http://www.ifp.cnr.it → IFP-CNR, Milano http://www.iter.org → sito ufficiale ITER http://fire.pppl.gov → FIRE U.S.A. http://www.fusione.enea.it → ENEA fusion http://ftu.frascati.enea.it → ENEA Frascati http://www.efda.org/downloads/ → EFDA http://www.jet.efda.org → EFDA-JET http://fusionforenergy.europa.eu/ → “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
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