L ingegnere elettronico nella ricerca sulla produzione controllata di energia da fusione nucleare

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1 Ciclo di Seminari Multidisciplinari Roma, 22/04/2015 L ingegnere elettronico nella ricerca sulla produzione controllata di energia da fusione nucleare Silvio Ceccuzzi Unità Tecnica Fusione EUROfusion 1

2 SOMMARIO La ques9one energe9ca La fusione nucleare La fusione a confinamento magne9co: il tokamak Sfide di tecnologia La strada verso un reaeore a fusione 2

3 CONSUMO DI ENERGIA PRIMARIA potenza pro- capite 2011 [kw]: Media mondiale 2.25 Qatar 26.4 Trinidad e Tobago 22.9 Kuwait 13.5 Lussemburgo 11.4 Emirati arabi 10.8 USA 8.8 Russia 6.6 Germania 4.7 Italia 3.7 Ruanda 0.3 Nigeria 0.2 Fonte: Energy Statistics Yearbook, secondi in popolazione un anno mondiale ZJ 12 Gtoe > 6 0 consumo annuale di energia consumo pro- capite [toe] nel 2013 (totale = Gtoe) Fonte: BP Statistical Review of World Energy 2014, 3

4 STIME DEI CONSUMI FUTURI popolazione mondiale: consumo energia primaria: miliardi Altri + 37% Altri non-ocse Asia OCSE OCSE OCSE Incremento dovuto per il 97% a paesi non- OCSE Fonte: BP Energy outlook 2035, 4

5 DA DOVE VIENE L ENERGIA? 81.7% da combusabili fossili! Solo 3 gruppi di fon9: fossili: petrolio, carbone, gas rinnovabili: vento, solare, biomasse, nucleare: fissione, fusione Serviranno tud! Non ha senso escludere nessuna opzione * include: geotermico, solare, vento, calore, Fonte: Key World Energy Statistics 2014, IEA 5

6 COMBUSTIBILI FOSSILI E la soluzione economicamente più conveniente ma distribuzione non uniforme - > problemi geopoli9ci; Riserve di petrolio dichiarate nel 2013 [miliardi di barili] Fonte: U.S. Energy Information Administration, 6

7 COMBUSTIBILI FOSSILI E la soluzione economicamente più conveniente ma distribuzione non uniforme - > problemi geopoli9ci; risorse limitate - > scarsa disponibilità per fini più u9li (insos9tuibili nell industria chimica e farmaceu9ca); Anni all esaurimento Petrolio 35 Gas 37 Carbone 107 Risorse disponibili difficili da s9mare (enormi interessi poli9ci ed economici dietro risorse dichiarate) Fonte: S. Shafiee and E. Topal, When will fossil fuel reserves be diminished?, Energy Policy 37 (2009)

8 COMBUSTIBILI FOSSILI E la soluzione economicamente più conveniente ma distribuzione non uniforme - > problemi geopoli9ci; risorse limitate - > scarsa disponibilità per fini più u9li (insos9tuibili nell industria chimica e farmaceu9ca); emissione gas serra (CO 2, CH 4, N 2 O) - > concentrazioni nell atmosfera senza preceden9 negli ul9mi anni (probabile causa di riscaldamento globale, acidificazione oceani, cambiamen9 clima9ci); Variazione del livello del mare medio globale Temperatura media globale terrestre e marina Fonte: Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2014 Synthesis Report, 8

9 COMBUSTIBILI FOSSILI E la soluzione economicamente più conveniente ma distribuzione non uniforme - > problemi geopoli9ci; risorse limitate - > scarsa disponibilità per fini più u9li (insos9tuibili nell industria chimica e farmaceu9ca); emissione gas serra (CO 2, CH 4, N 2 O) - > concentrazioni nell atmosfera senza preceden9 negli ul9mi anni (probabile causa di riscaldamento globale, acidificazione oceani, cambiamen9 clima9ci); Mendenhall Glacier, Alaska 1894 e 2008 Fonte: This is climate change, 9

10 EMISSIONI DI CO 2 Un dato certo: aumento di CO 2 nell atmosfera dal Conseguenze non prevedibili, saranno le nuove generazioni a sperimentarli e potrebbe essere tardi per tornare indietro. Conduciamo un esperimento di geofisica su larga scala forse irreversibile. FonA di energia non- fossili disponibili a lungo termine: rinnovabili, nucleare. Fonte: David JC MacKay, Sustainable energy without the hot air, 10

11 CHI INQUINA DI PIÙ Anno 2000 Fonte: David JC MacKay, Sustainable energy without the hot air, 11

12 ENERGIE RINNOVABILI Abbondan9 e inesauribili ma bassa densità di potenza: Una grandi centrale a carbone ha densità di potenza di circa 150 kw/m 2. Ogni impianto rinnovabile per dare un contributo paragonabile al nostro consumo aeuale deve raggiungere le dimensioni di un paese. L Europa non può vivere solo con le proprie rinnovabili. Senza combus9bili fossili ha bisogno di energia solare nei desera altrui energia nucleare Fonte: David JC MacKay, Sustainable energy without the hot air, 12

13 ENERGIE RINNOVABILI Abbondan9 e inesauribili ma bassa densità di potenza al9 cos9 Si dovrebbe tassare l emissione di CO 2 di 100$ a tonnellata per rendere compe99ve le energie rinnovabili. Necessità di grandi sussidi pubblici scarica9 sulle bolleee. Fonte: Fraunhofer ISE, Levelized Cost of Electricity Renewable Energy Technologies, Nov

14 ENERGIE RINNOVABILI Abbondan9 e inesauribili ma bassa densità di potenza al9 cos9 flueuazioni nel tempo FluEuazioni stagionali e giornaliere (sole, vento, ), Blackout per flueuazioni eolico in Germania (04/09/2006), Accumulo di energia difficile e costoso, Difficoltà nella connessione alla rete, Necessità di compensazione con centrali convenzionali. Erogazione [MW] dei 60 parchi eolici irlandesi 14

15 ENERGIE RINNOVABILI Abbondan9 e inesauribili ma bassa densità di potenza al9 cos9 flueuazioni nel tempo emissioni indireee impaeo ambientale disinformazione Le rinnovabili sono sicuramente fondamentali e bisogna con9nuare ad inves9re per migliorarle, ma al momento non sembra che possano risolvere il problema delle emissioni da sole. 15

16 NUCLEARE DA FISSIONE Svantaggi: Scorie nucleari 28 tonnellate di carburante danno 1 GW ano di potenza eleerica + 28 tonnellate di materiale radioatvo. Di queste 27 possono essere rilavorate, 1 da stoccare. Nuovi metodi di stoccaggio sicuro e di trasmutazione per eliminarlo Pericolo radiologico dosi di radiazione rilasciate da centrali a carbone > centrali nucleari CombusAbile limitato esaurimento s9mato ~ 80 anni. Con tecnologia breeder > 2600 ed estraendo uranio dall acqua di mare > Sicurezza Molto migliorata. Disastro Tchernobyl dovuto a catvo progeeo, negligenza e inosservanza regole sicurezza. Ma Fukushima non aerezzata contro tsunami. OsAlità opinione pubblica 16

17 SOMMARIO La ques9one energe9ca La fusione nucleare La fusione a confinamento magne9co: il tokamak Sfide di tecnologia La strada verso un reaeore a fusione 17

18 REAZIONE DI FUSIONE 2 D + 3 T 4 He + n (3.5 MeV) (14.1 MeV) 18

19 NUCLEARE DA FUSIONE CaraEeris9che: CombusAbile virtualmente inesauribile: Deuterio disponibile per milioni di anni (33 mg/l acqua). Trizio, isotopo radioatvo (tempo dimezzamento 12.3 anni), scarse riserve in natura, ma producibile bombardando con neutroni il Li9o disponibile 5000 anni da riserve note, 35 milioni anni dal mare Confronto per generare 1 GW anno: combus9bile convenzionale 3 milioni di tonnellate di carbone, combus9bile per fissione 24 tonnellate di UO 2, combus9bile per fusione 340 kg di D- T AspeD ambientali Nessun gas che produca effeeo serra: CO, CO 2 Nessun gas che produca piogge acide: SO 2, NO 2 Solo radioatvità a vita breve (T => 12 anni, atvazione strueure) 19

20 NUCLEARE DA FUSIONE CaraEeris9che: AspeD di sicurezza (resistente ad aeacchi terroris9ci) Impossibile perdita di controllo della reazione Meno di 5 di combus9bile presente nella camera di reazione Quan9tà combus9bile sul sito non richiede evacuazione popolazione Nessun di rischio di proliferazione Assenza di materiali fissili o fer9li CosA difficile s9ma, possibile vantaggio in fusion- hybrid breeder reactors costo ricerca in Europa: nel 2006 = 0.3% bolleea annuale in Europa sulla luce (circa 1 euro per abitante), riduzione dal 2006 a oggi, inves9men9 maggiori nelle rinnovabili. 20

21 PROGRESSO LENTO RISPETTO ALLA FISSIONE JET - EFDAè EUROfusion

22 APPROCCI ALL ENERGIA DA FUSIONE Reazioni di fusione avvengono nel sole dove gli atomi sono confina9 dalla forza gravitazionale molto intensa. Sulla Terra, tre approcci: Fusione a bassa energia (fusione fredda): usa dei catalizzatori (muoni, palladio) per vincere la repulsione coulombiana. Fusione inerziale: comprime le par9celle mediate laser. Fusione termonucleare: riscalda i nuclei al punto da produrre reazioni grazie all elevata velocità termica. A tali temperature si hanno plasmi. E l approccio più promeeente a fini energe9ci. 22

23 FUSIONE TERMONUCLEARE CONTROLLATA Condizioni: Fornire alle par9celle di combus9bile abbastanza energia da vincere la repulsione Coulombiana ==> Alta temperatura T (corrente di plasma + riscaldamen9 addizionali) per un tempo abbastanza lungo ==> Tempi di confinamento elevaa τ E (Dimensioni/Regimi di plasma) con un adeguato numero di reazioni ==> Alta densità n (Alte corren9 di plasma e Campi Magne9ci) triplo prodo\o: T τ E n Condizione di ignizione: T τ E n > s kev/m 3 => l energia per vincere la repulsione Coulombiana viene dalle reazioni stesse, come nel Sole 23

24 A CHE PUNTO SIAMO? Temperatura [kev] Tempo di Confinamento x densità x temperatura [s kev/m 3 ] 24

25 SOMMARIO La ques9one energe9ca La fusione nucleare La fusione a confinamento magne9co: il tokamak Sfide di tecnologia La strada verso un reaeore a fusione 25

26 FUSIONE A CONFINAMENTO MAGNETICO Condizioni operaave per reaeori a confinamento magne9co: Campo magne9co B 5-6 T ( 10 5 x campo magne9co terrestre) Densità: n m - 3 ( x pressione atmosferica) Temperature T KeV ( 10 8 K) ( x temperatura ambiente) Tempo di confinamento dell energia τ E 1s Richieste addizionali Basso carico termico alle pare9 (purezza plasma, vita componen9) Stazionarietà (alimentazioni, riscaldamen9, supercondueori) Ad oggi la configurazione più idonea a soddisfare i requisi9 sopra è il Tokamak 26

27 PRINCIPIO FISICO Intrappolamento magne9co del plasma Frequenza di ciclotrone Raggio dell orbita " ce,i = eb 0 m e,i f ce 28 GHz/Tesla r L " u # = mu # $ c q B r e (cm) " 2T e 1/ 2 B #1 (ev, 10 4 Tesla)! ELETTRONE!!! Campo Magnetico! IONE! Campo Magnetico! 27

28 CONFINAMENTO MAGNETICO toroidalnaya kamera magnitnaya katushka = camera toroidale e spira magnetica B campo magne9co poloidale 28

29 SISTEMI ADDIZIONALI (HEATING&CURRENT DRIVE) Neutral Beam InjecAon Onde ele\romagneache: electron cyclotron ( => 250 GHz) lower hybrid (3-8 GHz) ion cyclotron ( MHz) 29

30 SISTEMI A RADIOFREQUENZA La radiofrequenza nei tokamak è usata per scaldare o accelerare le par9celle. Lo schema dei sistemi a radiofrequenza è simile: Antenna vacuum plasma RF generators - HVPS - tubes - low power units - switches - Transmission lines - waveguides - converters - bends - filters - RF windows Monitoring, control and protection systems Evanescent zone Plasma wave Resonance zone 30

31 SOMMARIO La ques9one energe9ca La fusione nucleare La fusione a confinamento magne9co: il tokamak Sfide di tecnologia La strada verso un reaeore a fusione 31

32 REATTORE IN CONFIGURAZIONE TOKAMAK 32

33 ITER IL TOKAMAK PIÙ GRANDE IN COSTRUZIONE ProgeEo che impegna 7 tra i paesi più industrializza9: UE, Cina, Corea, Giappone, India, Russia, StaA UniA. Dimostrerà: un guadagno di un faeore 10 dell energia immessa molte delle tecnologie necessarie per il reaeore la sicurezza di questa fonte di energia 33

34 HEATING & CURRENT DRIVE.ITER must be considered as an experimental device, capable to meet various scien9fic challenges, A maximum in flexibility should be kept for the hea9ng and current drive systems Neg-1 MeV MHz 2.5 MW Tetrode 170 GHz 1-2? MW Gyrotron 5 GHz MW Klystron e - H&CD&Rot RWM Bulk Ion H, FWCD q 0 Tailored H&CD NTM Off axis CD, start Up 1 MeV, R&D time Arc, PFCs, coupling 2 MW gyr, mirrors klystron, PAM 34

35 MAGNETI SUPERCONDUTTORI Operazioni steady- state richiedono u9lizzo di supercondueori alto campo => Alta Densità di corrente Nb 3 Sn NiT Spool cavo 35

36 SISTEMI DI CONTROLLO Con il termine controllo si intendono diversi aspet: controllo dei parametri e delle performance del plasma controllo dell equilibrio e della stabilità del plasma controllo della sequenza della scarica plant control. 36

37 SOMMARIO La ques9one energe9ca La fusione nucleare La fusione a confinamento magne9co: il tokamak Sfide di tecnologia La strada verso un reaeore a fusione 37

38 LA FUSIONE IN EUROPA La ricerca, des9nata alla realizzazione dell energia da fusione, fa oggi parte del programma Horizon 2020 EURATOM, aeuato da EUROfusion. Dal 1983, l ENEA è il coordinatore del contributo italiano che vede impegna9: CNR INFN Consorzio RFX Consorzio CREATE molte università In totale 600 tra ricercatori e tecnici Nel programma Euratom fanno parte i paesi UE + la confederazione svizzera 38

39 ROADMAP MONDIALE DTT Materials accompanying programs JT- 60SA concetti alternativi broader approach IFMIF 2050? FTU R = 0.93 m ~ 0 MW S. Ceccuzzi JET R = 3 m ~ 16 MW ITER R = 6.2 m ~ 500 MW Roma, 22/04/2015 DEMO R = m ~ 2700 MW 39

40 FTU: FRASCATI TOKAMAK UPGRADE raggio maggiore (m) raggio minore (m) corrente di plasma (MA) campo magne9co toroidale (T) 0,935 0,

41 JET: JOINT EUROPEAN TORUS raggio maggiore (m) 2.96 raggio minore (m) 1.25 corrente di plasma (MA) 4.8 campo magne9co toroidale (T) 3.45 S. Ceccuzzi Roma, 22/04/

42 ITER: INTERNATIONAL THERMONUCLEAR REACTOR ITER è un impresa senza precedena Uomo standard 1.8m S. Ceccuzzi Roma, 22/04/2015 raggio maggiore (m) 6 raggio minore (m) 2 corrente di plasma (MA) 15 campo magne9co toroidale (T) 5.6 Site: Cadarache (France) 42

43 DEMO: DEMONSTRATION POWER PLANT Fase proge\uale appena iniziata 43

44 CONCLUSIONI Per far fronte al consumo di energia mondiale con fon9 carbon- free è indispensabile il nucleare, ma la fissione ha diverse controindicazioni. La fusione sarebbe un otma soluzione, ma reaeori ancora non pron9. Migliori risulta9 oeenu9 finora col confinamento magne9co, ma restano aperte numerose ques9oni di fisica e di tecnologia: nella pra9ca si sta cercando di riprodurre un piccolo sole all interno di una ciambella metallica! La ricerca sulla fusione nucleare rappresenta una sfida per numerosi seeori dell ingegneria e richiede l apporto di nuove energie sopraeueo dai giovani. L ENEA coordina la ricerca italiana sulla fusione. Nella roadmap mondiale i prossimi passi di maggiore rilievo sono costruzione e u9lizzo di ITER progeeo di DEMO 44