ENERGIA NUCLEARE DA FUSIONE

Transcript

1 ENERGIA NUCLEARE DA FUSIONE Laura Savoldi Richard DENER - Dipartimento di Energetica Politecnico di Torino

2 Sistemi energetici per il futuro: i reattori a fusione nucleare L. Savoldi Richard Dipartimento di Energetica, Politecnico, Torino, Italy Con contributi di R.Zanino e F. Subba Progetto Scienza attiva

3 Sommario Introduzione La fusione nucleare Il confinamento del plasma: inerziale magnetico Il tokamak Il reattore ITER Progetto Scienza attiva

4 Introduzione (I) La massa di un nucleo e sempre inferiore alla massa dei suoi componenti (protoni + neutroni) la massa mancante ( difetto di massa ) viene convertita, secondo la formula di Einstein E = mc 2, in energia di legame del nucleo L energia di legame corrisponde a energia di fatto rilasciata alla formazione dell atomo Maggiore e l energia di legame, maggiore e la stabilita del nucleo dell atomo Energia di legame per nucleone (MeV) Il nucleo piu stabile e quello del Ni Progetto Scienza attiva

5 Introduzione (II) Energia di legame per nucleone (MeV) FUSIONE FISSIONE Nel passaggio da un nucleo meno stabile a uno piu stabile si ha rilascio di energia (L energia rilasciata dai nuclei si puo misurare in MeV: 1 ev ~ K) Ci sono DUE modalita per sfruttare la liberazione di energia che si ha nel passaggio da nuclei meno stabili a nuclei piu stabili: la FISSIONE e la FUSIONE nucleare Progetto Scienza attiva

6 La fusione nucleare (I) Attraverso la fusione dei nuclei di elementi leggeri (= a basso numero atomico) e possibile liberare energia Il processo e analogo a quello che avviene nel sole e nelle altre stelle! La fusione nucleare e certamente la maggiore sorgente di energia primaria per la Terra! Attraverso l irraggiamento solare, i processi di fusione nucleare nel Sole hanno alimentato i processi biologici (fotosintesi, ), producendo quindi le riserve di materiali ad alto contenuto di carbonio Progetto Scienza attiva

7 Potenziali attrattive della produzione di energia da fusione Alta energia per unita di massa prodotta Larga disponibilita del conbustibile primario Emissione di gas ad effetto serra (CO 2 ) nulla Assenza di prodotti di reazione (scorie pimarie) radioattivi Tempi di dimezzamento delle scorie secondarie (materiali attivati dal funzionamento del reattore) di ~ 80 anni Operazione intrinsecamente sicura del reattore a fusione Anche nel caso di perdita di confinamento totale la contaminazione atmosferica e inferiore ai limiti di pericolosita Cerchiamo di spiegare i principali tra questi punti Progetto Scienza attiva

8 Energia prodotta da fusione 1 g di idrogeno (miscela deuterio-trizio), fornisce da fusione tanta energia quanta è fornita da 18 tonnellate di benzina! La FUSIONE e MOLTO INTERESSANTE dal punto di vista energetico Energia media sviluppata per nucleone ~ 5-6 MeV, da confrontare con FISSIONE U 235 : energia media sviluppata per nucleone ~ 0.8 MeV La reazione piu interessante dal punto di vista tecnologico (elevato tasso di reazione, elevata liberazione di energia) coinvolge due isotopi dell idrogeno: Deuterio (D) Stabile, presente nell acqua (33 g di D ogni m 3 di H 2 O) potenzialmente infinito! Trizio (T) Instabile (Non si trova in natura, ma deve essere prodotto in loco ) Progetto Scienza attiva

9 La reazione di fusione D-T (I) La reazione di fusione libera un neutrone e una particella (nucleo di elio) con elevata energia cinetica 2 D + 3 T n (14.1 MeV) + 4 He (3.5 MeV) Per sfruttare l energia della fusione bisogna saper estrarre in modo efficiente l energia dai neutroni MA il bombardamento dei materiali strutturali da parte dei neutroni veloci provoca danni molto seri frequenti sostituzioni con tecniche da remoto (problemi di attivazione) Bisogna poter smaltire le ceneri di He Progetto Scienza attiva

10 Ma dove prendo il Trizio? Il Trizio non e disponibile in natura perche e radioattivo e quindi decade, si trasforma cioe in atomi piu stabili Si pensa alla produzione di 3 T in ciclo chiuso nel reattore il 3 T necessario alle reazioni di fusione puo essere prodotto sfruttando l assorbimento di un neutrone veloce da parte del litio: Li 7 + n T + He 4 + n 2.5 MeV Se il neutrone proviene dalla reazione D+T, nella macchina a fusione si puo instaurare ciclo rigenerativo! Progetto Scienza attiva

11 Come si puo ottenere la fusione tra nuclei? La reazione di fusione richiede inizialmente una energia sufficiente per vincere la forza di repulsione tra i nuclei i reagenti vanno riscaldati fino a temperature per le quali il moto di agitazione termica sia sufficiente per realizzare la fusione tra i nuclei = diversi milioni di gradi! In queste condizioni gli atomi sono completamente IONIZZATI, sono cioe completamente scissi in particelle cariche: nuclei (ioni +) ed elettroni (ioni -) stato di aggrezione di PLASMA Lo sviluppo di un reattore a fusione richiede la creazione di PLASMA ad elevata temperatura, che va mantenuto per un tempo sufficiente ( = tempo di confinamento) a far avvenire un numero di reazioni di fusione tale da garantire GUADAGNO di energia Bisogna scaldare il PLASMA per portarlo a temperature di milioni di gradi Bisogna confinare il PLASMA per evitare che si espanda a causa della sua energia termica, Progetto Scienza attiva dissipandola

12 Il fattore di guadagno o di amplificazione Il fattore di guadagno o di amplificazione Q in un reattore a fusione è definito come il rapporto fra la potenza prodotta nel reattore, e la potenza spesa per mantenere il PLASMA del reattore in equilibrio (cioe in condizioni stazionarie): Potenza prodotta dalle reazioni di fusione Potenza spesa per il riscaldamento La condizione minima per mantenere viva la reazione di fusione è che la potenza immessa nel plasma eguagli la potenza prodotta dalle reazioni di fusione Q = 1 = condizione di pareggio o di breakeven. La condizione in cui la temperatura del plasma si autosostiene, senza la necessità di immettere potenza dall'esterno ( P R = 0) e corrisponde a Q = = condizione di ignizione. Progetto Scienza attiva

13 Confinamento del plasma termonucleare Per raggiungere le condizioni vantaggiose per la fusione nucleare in un reattore (= produrre piu energia di quanta ne consumi), si deve realizzare la condizione (criterio di Lawson): Densita del plasma Temperatura prodotto triplo Tempo di confinamento del plasma I reattori possono in linea di principio operare in due regimi: A densità estremamente elevate, e tempi di confinamento del plasma piccoli confinamento inerziale A temperature elevate, basse densità, e tempi di confinamento del plasma relativamente alti confinamento magnetico, ottenuto ad es. nelle macchine di tipo TOKAMAK Progetto Scienza attiva

14 Il confinamento inerziale Il combustibile nucleare può essere compresso in tempi sufficientemente brevi con un bombardamento di fotoni, di altre particelle o tramite un'esplosione. Il confinamento inerziale e stato realizzato (in maniera incontrollata) nelle bombe all idrogeno, dove una esplosione provocata da una bomba a fissione nucleare genera raggi X che creano un'onda termica che, propagandosi nella testata, comprime un piccolo cilindro di combustibile per fusione (D + T) Progetto Scienza attiva

15 Il confinamento inerziale in laboratorio In laboratorio il processo di fusione inerziale puo essere realizzato da fasci di raggi laser o fasci di particelle accelerate focalizzati su una microsfera di alcuni millimetri di diametro contenente come combustibile una miscela di deuterio e trizio allo stato liquido. Approfondimento sulla fusione inerziale Progetto Scienza attiva

16 Il confinamento magnetico Il PLASMA, costituito da particelle cariche, puo essere confinato sfruttando la forza di Lorentz attraverso opportuni CAMPI MAGNETICI esterni. La geometria piu interessante per confinare il plasma termonucleare e quella TOROIDALE: - Tokamak ( ) - Stellarator - (Reversed-field pinch) Progetto Scienza attiva

17 Tokamak: storia La configurazione magnetica tipo Tokamak è il risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati russi Andrei Sakharov e Igor Tamm - in Occidente questa configurazione era ignota. Nello stesso periodo, negli USA Lyman Spitzer, a Princeton, studiava la configurazione tipo Stellarator. Nel 1958, nella seconda conferenza di Ginevra, furono resi noti i dettagli di come costruire una macchina basandosi sul principio del Tokamak. Gli scienziati continuarono quindi i test sulla fusione utilizzando principalmente il Tokamak (ma anche sugli Stellarator si fa ancora ricerca!) Nel 1955 gli scienziati occidentali, alla Conferenza internazionale sull uso pacifico dell energia atomica a Ginevra, scoprirono l'esistenza del Tokamak Nel 1968, gli scienziati russi resero noto di avere raggiunto una temperatura degli elettroni di oltre 1 kev in un Tokamak, prestazioni di molto superiori a quelle ottenute fino ad allora. Il Tokamak è a oggi considerato come una delle più promettenti vie per generare energia tramite fusione nucleare: e un Tokamak anche Progetto Scienza attiva il reattore nucleare a fusione ITER, in costruzione in Francia.

18 Tokamak Tokamak principle back Camera a vuoto nel reattore JET (UK) e scarica del plasma Approfondimento Sul principio e funzionamento dei tokamak Progetto Scienza attiva

19 Schema di principio di un reattore di potenza a fusione TOKAMAK Preparazione e immissione del combustibile Parte convenzionale dell installazione Progetto Scienza attiva

20 Le macchine tokamak Le macchine tokamak costruite ad oggi mostrano un raddoppio del triplo prodotto ogni 2 anni circa Siamo ancora un fattore 10 circa sotto quello che servirebbe per un reattore di potenza Progetto Scienza attiva

21 Il reattore ITER La costruzione del reattore a fusione ITER e stata approvata nel giugno 2005 Il progetto prevede una spesa di ~ 10 GEuro (50 % EU, 50 % da dividere tra JA, US, RF, CN, KO, IN) Sono previsti 10 anni per la costruzione (inizio dal 2007) + 20 anni di operazione Il sito del reattore e a Cadarache (F) Progetto Scienza attiva

22 Dove? ~ 310 km Progetto Scienza attiva

23 Il sito di ITER e CEA Cadarache Progetto Scienza attiva

24 Scopo di ITER Lo scopo programmatico di ITER e : to demonstrate the scientific and technological feasibility of fusion power for peaceful purposes : ITER dovra produrre piu energia di quanta ne consumi (l obbiettivo e arrivare a fattori di guadagno Q = 10, o comunque > 5) nel plasma la maggior parte del riscaldamento deve provenire dalle reazioni di fusione nucleare. ITER dovra sperimentare le tecnologie e i processi chiave necessari per i futuri reattori a fusione nucleare: magneti superconduttori, componenti in grado di sopportare flussi termici elevatissimi, manutenzione da remoto. ITER dovrebbe sviluppare e provare le tecnologie per ottenere il trizio dai materiali contenenti litio, posti all interno del mantello o blanket, in grado di sopportare in maniera efficace le elevate temperature che ci sono nella zona che circonda il plasma. Progetto Scienza attiva

25 Solenoide centrale I magneti superconduttori di ITER Magneti del campo toroidale Tutti i magneti in ITER utilizzano cavi SUPERCONDUTTORI Magneti del campo poloidale Progetto Scienza attiva

26 Cavi e magneti superconduttori per ITER I magneti superconduttori per i tokamak devono trasportare elevatissime correnti (fino a ~ ka) per generare alti campi magnetici (fino a ~ 13 T) Nei cavi per i magneti vengono impiegato materiali superconduttori a bassa temperatura critica (Nb 3 Sn o NbTi) Progetto Scienza attiva

27 I moduli del blanket Il componente di un reattore tokamak preposto alla produzione del trizio, come pure all assorbimento del calore dei neutroni si chiama MANTELLO o BLANKET. In ITER verrano provati moduli di mantelli triziogeni, che devono avere i seguenti requisiti: Efficienza di produzione ed estrazione del litio Buone proprieta termomeccaniche sotto irraggiamento neutronico Temperatura di lavoro adeguata e compatibile Buona sicurezza e affidabilita Fattibilita tecnologica Compatibilita con i materiali presenti Modulo di blanket Progetto Scienza attiva

28 Oltre ITER il Next Step : i reattori DEMO e PROTO La corsia veloce per la fusione ( fast track to fusion ) prevede, dopo ITER, la costruzione di: Reattore DEMO, che sarà utilizzato per dimostrare tutte le tecnologie che accompagnano il reattore e per produrre, per la prima volta, quantità significative di elettricità a partire dall'energia di fusione. TEMPO STIMATO per l inizio della costruzione ~ 15 anni, per l operazione ~ 30 anni Reattore PROTO, funzionerà come un prototipo di centrale elettrica, che integrerà gli eventuali dettagli tecnologici restanti e dimostrerà la fattibilità della produzione elettrica a titolo commerciale a costi competitivi. TEMPO STIMATO per l inizio della costruzione ~ 35 anni, per l operazione ~ 50 anni Progetto Scienza attiva

29 Dove trovare altre informazioni? Progetto Scienza attiva

30 Fusione a confinamento inerziale I fasci laser riscaldano velocemente lo strato superficiale della microsfera provocando, per ablazione dello stesso, l'implosione del combustibile contenuto nella microsfera. La compressione adiabatica prodotta nel combustibile ne innalza la temperatura e la densità fino a raggiungere le condizioni di ignizione. L'inerzia dei nuclei D e T mantiene unito il combustibile per il tempo necessario allo sviluppo di un numero di reazioni di fusione sufficiente ad avere un bilancio energetico globale positivo. Terminata la spinta di compressione inerziale il numero di reazioni di fusione si riduce drasticamente fino all'annullamento mano mano che la miscela combustibile si espande. Ritorna alla presentazione Progetto Scienza attiva

31 Il tokamak: sistema dei magneti In un tokamak il plasma e confinato mediante da un campo magnetico elicoidale Questo e ottenuto dalla combinazione di un campo magnetico toroidale (prodotto da magneti posti intorno alla ciambella ) con un campo magnetico poloidale realizzato mediante la corrente indotta nel plasma dall' esterno (si ottiene da un solenoide posto al centro del toro, che opera come il primario di un trasformatore) Altre bobine controllano la posizione del plasma Le particelle di plasma si avvitano intorno alle linee di forza del campo Progetto Scienza attiva

32 Tokamak: principio di funzionamento In un tokamak, come condizione iniziale viene creato un vuoto spinto o ultraspinto (10-3 torr), mediante apposite pompe a vuoto. L'accensione della corrente di plasma nella camera toroidale avviene in tre tempi: Si immette corrente nei magneti del campo toroidale; Si immette una piccolissima quantità di gas (pochi grammi di D e T) nella camera a vuoto Si immette corrente nel solenoide centrale Facendo calare bruscamente la corrente nel solenoide centrale, il combustibile viene ionizzato (come in presenza di un fulmine), si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi il gas non è più neutro, ma è diventato plasma Si scalda il plasma a temperature termonucleari (~ 20 kev) Progetto Scienza attiva

33 Tokamak: riscaldamento del plasma Per il raggiungimento delle condizioni di fusione un fattore importante è la temperatura del plasma, per l'innalzamento della quale viene trasmessa altissima energia al plasma attraverso varie tecniche: Riscaldamento attraverso microonde: un sistema di antenne emette radiazioni con la stessa frequenza con cui vibrano le particelle del plasma, scaldandolo; Riscaldamento ohmico: consiste nello sfruttare il riscaldamento indotto dalla corrente nel plasma; Riscaldamento per iniezione di fasci di atomi neutri (che possono penetrare nel plasma senza subire disturbo dalle cariche elettriche che lo costituiscono) nel penetrare nel plasma questi fasci neutri si ionizzano e trasferiscono parte della loro energia cinetica al plasma per urto. Il riscaldamento del plasma richiede il dispendio di grandi quantita di energia Ritorna alla presentazione Progetto Scienza attiva