Prospettive energetiche della Fusione Termonucleare Controllata. G Bosia Dipartimento difisica. Università di Torino

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1 Prospettive energetiche della Fusione Termonucleare Controllata G Bosia Dipartimento difisica. Università di Torino 1

2 Fusione Nucleare 2

3 Principio fisico della Fusione nucleare Reazione di fusione Reazione di fissione 3

4 Reazioni di Fusione 4

5 Sezione d urto di di fissione e fusione Atom binding energy Fission Fusion 5

6 Stato di plasma 1eV = J = kb T ( K) 6

7 Confinamento gravitazionale in una Gigante Rossa 7

8 Principio di confinamento magnetico Tokamak 8

9 Confinamento magnetico tipo Tokamak Riscaldamento ausiliario 9

10 Riscaldamento del plasma Riscaldamento ohmico Iniezione di fasci di particelle neutre di alta energia Iniezione di onde elettroma-gnetiche In un plasma ignito il riscalda-mento è fornito dalle particelle α (He) risultanti dai processi di fusione. 10

11 Evoluzione di dimensioni e performances di tokamak (m) 11

12 Interno del JET Il JET /Joint European Torus (Culham, Oxfordshire, UK) e il tokamak più performante finora costruito. Ha prodotto potenze di fusione fino ad un massimo di 15 MWatt.

13 Fusione da confinamento inerziale 13

14 Sviluppo di laser di grande energia 14

15 15

16 Quanto è lontano un reattore a fusione? I reattori a fusione possono essere considerati amplificatori di potenza, ed è necessario un input energetico. Il guadagno è: QDT = Potenza in uscita Potenza in ingresso QDT = 10 QDT = 0.1 Nota La potenza in ingresso e quella necessaria a riscaldare il plasma a temperature termonucleari Se QDT > 30 i prodotti di fusione (particelle α) sono in grado di fornire il riscaldamento ausiliario (funzionamento auto-sostenuto) 16

17 Il progetto ITER 17

18 La macchina ITER 18

19 ITER Interno macchina 19

20 ITER Team at Cadarache 20

21 ITER Construction schedule ITER agreement Construction permit Start assembly Construction completed First plasma 21

22 Il programma europeo Fast Track 22

23 Criteri di valutazione di una fonte energetica Utilizzo, continuità di servizio, efficienza di funzionamento, possibili applicazioni militari Densità energetica Disponibilità di combustibile e sua distribuzione geografica, sicurezza dell approvvigionamento energetico Impatto ambientale Produzione di scorie primarie e secondarie e tempi di riassorbimento Sicurezza di funzionamento (reattività e stoccaggio del combustibile) Costo 23

24 Reattore a fusione Un reattore a fusione a confinamento magnetico può essere utilizzato solo per la produzione di energia elettrica. Il funzionamento è continuo. Non è necessario accumulo di energia. Il suo funzionamento non ha diretto impatto ambientale Il suo sviluppo non comporta applicazioni di carattere militare 24

25 Disponibilità di risorse combustibili per la fusione Un reattore a fusione richiede una miscela di combustibile 50/50% di due isotopi dell idrogeno: deuterio (D) e trizio (T) 100 mg di miscela D-T producono un output energetico equivalente a 1 tonnellata di carbone Il Deuterio esiste in natura in quantità praticamente illimitata: è contenuto nell acqua del mare ed è accessibile a tutti. Non esiste pertanto la distinzione tra paesi produttori e consumatori. Il Trizio non esiste in natura perché decade con una vita media di circa 12 anni. Si può tuttavia generare dal D con una reazione con il Litio, metallo comune e finora poco usato. Nel reattore a fusione, Il Trizio sarà prodotto a ciclo chiuso, come parte del funzionamento del reattore utilizzando la reazione : n + Li7 = He + T 25

26 Produzione di scorie primarie e secondarie Les D Un reattore a fusione non produce scorie radioattive primarie. Il prodotto di reazione primario è costituito da nuclei di He, un gas poco reattivo, non tossico, esistente nell atmosfera) (2) R Radioactivité relative (ingestion) " m ê l n Scorie secondarie radio attive provengono dalla attivazione neutronica dalle strutture del reattore durante il periodo di funzionamento, che sono minimizzate da una opportuna scelta dei materiali R I tempi di decadimento radioattivo delle scorie secondarie sono mostrati in figura 26

27 Sicurezza La sicurezza e una caratteristica essenziale del funzionamento di un impianto di produzione di energia, in cui il verificarsi di incidenti è spesso legato ad un utilizzo incontrollato dell energia disponibile nel combustibile accumulato nell impianto di produzione. In un reattore a fusione il combustibile consumato in regime stazionario per unità di tempo è circa un grammo di miscela D -T. Questa quantità è di insufficiente a causare danni al contenitore dell impianto e, se totalmente dispersa nell atmosfera non è in grado di causare danni radiologici alla popolazione. Un reattore a fusione è pertanto intrinsecamente sicuro. 27

28 In conclusione La fusione nucleare è in prospettiva un processo fisico in grado di fornire, assieme ad altre risorse, un supporto energetico sostenibile alle crescenti richieste dell uomo Se sarà possibile in futuro utilizzare la reazione D + He3 He3 + p la produzione energetica avverrà in presenza di particelle tutte confinate dal campo magnetico e pertanto anche senza attivazione neutronica delle strutture del reattore (e pertanto senza scorie secondarie radio attive). Il reattore non richiede accumulo di combustibile, che può essere generato nel ciclo di produzione. La generazione di energia da fusione è pertanto considerata intrinsecamente sicura 28