Il nucleare di oggi e di domani: fissione e fusione

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1 #1/47 Il nucleare di oggi e di domani: fissione e fusione Fabio Villone Associazione EURATOM/ENEA/CREATE DAEIMI Università degli Studi di Cassino villone@unicas.it

2 #2/47 Sommario La fissione nucleare Che cos è la fusione Aspetti scientifici e tecnici della fusione La ricerca: breve storia, stato attuale e prospettive future

3 #3/47 La fissione nucleare

4 La fissione nucleare #4/47 La fissione nucleare /1 Questo processo produce energia (cinetica) grazie al difetto di massa La fissione nucleare consiste nello spaccare un atomo pesante (uranio- 235) in prodotti più leggeri bombardandolo con neutroni di opportuna energia E una reazione a catena: autosostenuta dai neutroni prodotti da ogni fissione (opportunamente rallentati dai cosiddetti moderatori)

5 La fissione nucleare #5/47 La fissione nucleare /2 Boiling Water Reactor (Fukushima): l acqua viene fatta bollire nel vessel L energia cinetica viene estratta con un opportuno liquido refrigerante (e.g. acqua) che aziona turbine

6 La fissione nucleare #6/47 Problemi con la fissione /1 Problema#1. L uranio ed i prodotti della fissione sono radioattivi Risposta#1: in condizioni normali il pubblico subisce dosi di radiazioni non superiori al sottofondo naturale (praticamente nullo incremento di rischio) Problema#2. Esiste la possibilità di incidenti con rilascio di sostanze radioattive Risposta#2: Negli ultimi 50 anni tre incidenti seri: Three Mile Island (1979, USA), Chernobyl (1986, URSS), Fukushima (2011, Giappone)

7 La fissione nucleare #7/47 Problemi con la fissione /2 Three Mile Island: praticamente nessuna conseguenza sul pubblico Chernobyl: l incidente perfetto Errori di progetto del reattore Mancanza di elementari misure di sicurezza (contenimento) Malfunzionamento di vari dispositivi Errori umani ed irresponsabilità degli operatori Fukushima: dovuto ad un evento catastrofico (forse non la conseguenza più grave?)

8 La fissione nucleare #8/47 Problemi con la fissione /3 Elementi radioattivi: decadono spontaneamente (si trasformano in altri elementi) emettendo particelle α (nuclei di elio), particelle β (elettroni), raggi γ (radiazioni energetiche) Pericolose per l uomo: A dosi massicce: radiation sickness (morte entro pochi giorni) A dosi basse : aumentato rischio di contrarre malattie mortali (tumori) Che significa dosi basse? Indicazioni molto contraddittorie Statistiche difficili (se non impossibili)

9 La fissione nucleare #9/47 Qualche provocazione Fumo passivo: decine di migliaia di morti all anno nell unione europea (Societa' europea di pneumologia, Fondazione britannica per la ricerca sul cancro, Institut national du cancer in Francia) Incidenti automobilistici: morti ( nell Unione Europea nel solo 2008 (4731 in Italia) Incidente di Bophal (impianto chimico in India, dic. 1994): 3000 morti immediatamente, forse altri ad oggi Disastro del golfo del Messico (BP): danni ambientali di miliardi di dollari Esiste una tecnologia intrinsecamente sicura?

10 I problemi energetici e la fissione #10/47 Problemi con la fissione /4 Problema#3. Le scorie sono radioattive con lunghi tempi di decadimento Risposta#3: il problema dello stoccaggio delle scorie è effettivamente quello più serio che affligge la fissione nucleare. Dal punto di vista tecnico esso è risolubile. Serve però una forte volontà politica per individuare i siti idonei e convincere la popolazione. Altrove è stato fatto - e.g. in Svezia ( - impossibile in Italia?

11 #11/47 Problemi con la fissione /5 Problema#4. L energia da fissione costa Risposta#4: il costo è in linea con quello di altre fonti di energia US Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2009

12 La fissione nucleare #12/47 La fissione può essere utile? /1 Combustibili fossili Inquinamento (gas serra, piogge acide) Impianti pericolosi (centrali tradizionali, rigassificatori) Risorse limitate (modello di Hubbert) Localizzazione geografica delle risorse Rinnovabili Limiti geografici Incremento limitato (vedi oltre) Impatto ambientale non nullo Eolico: paesaggistico ed acustico Geotermico: terremoti!

13 La fissione nucleare #13/47 La fissione può essere utile? /2 US Energy Information Administration, Annual Energy Outlook 2009 Possiamo realisticamente pensare ad un incremento più rapido per le fonti rinnovabili?

14 La fissione nucleare #14/47 La fissione può essere utile? /3 CO2 emissions reach a record high in 2010; 80% of projected 2020 emissions from the power sector are already locked in (International Energy Agengy, 30 May 2011) ( A cosa può contribuire la fissione? -Contenimento emissioni di gas serra -Diversificazione delle fonti primarie -Diversificazione dei fornitori (non solo gas libico ) Scelte politiche (impopolari) di visione generale: c è chi ha la forza o la credibilità per farle in Italia? Perché la questione è così politicizzata tra sinistra e destra?

15 #15/47 Che cos è la fusione

16 Che cos è la fusione #16/47 Le reazioni di fusione La fusione nucleare é il processo nel quale nuclei di elementi leggeri si fondono insieme per formare nuclei più pesanti Il difetto di massa viene trasformato in energia (cinetica) secondo la formula più famosa del mondo: E=mc 2 di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921)

17 Che cos è la fusione #17/47 Deuterio (D) Trizio (T) Le reazioni di fusione più facili : D + T -----> 4 He + n D + D -----> 3 He + n D + D -----> T+ H coinvolgono gli isotopi dell idrogeno Il Deuterio è contenuto nell acqua Il Trizio si produce dal Litio con la reazione 6 Li + n --> 4 He + T 7 Li + n --> 4 He + T + n

18 Che cos è la fusione #18/47 Come avviene la fusione /1 + Per far avvenire la fusione occorre avvicinare i reagenti a distanza subatomica (forze nucleari forti) + Per ottenere ciò bisogna superare la repulsione elettrostatica tra cariche dello stesso segno

19 Che cos è la fusione #19/47 Come avviene la fusione /2 Prima possibilità: confinamento inerziale Possibile in principio: ci si sta lavorando Si colpisce una pallina di D e T con dei laser potentissimi per comprimerla a sufficienza da far avvenire la reazione di fusione

20 Che cos è la fusione #20/47 Come avviene la fusione /3 Seconda possibilità: fusione fredda Si favoriscono le reazioni grazie ad un catalizzatore (Palladio) Pochi ricercatori sono riusciti a replicare gli esperimenti originari: molto controversa Fleischmann - Pons, 1989

21 Che cos è la fusione #21/47 Come avviene la fusione /4 Terza possibilità: fusione termonucleare Le temperature richieste sono di 100 milioni di gradi Si riscalda il D e il T fino a che la velocità di agitazione termica delle particelle è tale da far avvenire urti abbastanza violenti da vincere la repulsione ed avvicinarli abbastanza

22 #22/47 La fusione termonucleare controllata: aspetti scientifici e tecnici

23 La fusione termonucleare controllata #23/47 Il plasma A temperature così alte si raggiunge il quarto stato della materia: il plasma (un gas ionizzato) I nuclei e gli elettroni diventano indipendenti ma come produrre e dove contenere un plasma così caldo?

24 La fusione termonucleare controllata #24/47 Il riscaldamento Si fa percorrere il plasma da una corrente elettrica di alcuni MA tramite un opportuno trasformatore (riscaldamento ohmico per effetto Joule) Si utilizzano radiazioni elettromagnetiche (riscaldamento a radiofrequenza)

25 La fusione termonucleare controllata #25/47 Il confinamento magnetico Le particelle cariche in presenza di un campo magnetico non sono libere nel loro moto, ma spiralizzano lungo le linee di forza In questo modo possiamo confinare il plasma senza che urti le pareti circostanti

26 La fusione termonucleare controllata #26/47 Il tokamak Si dà al plasma una forma a ciambella (toroidale) per evitare la fuoriuscita di particelle тороидальная камера с магнитными катушками Camera toroidale a bobine magnetiche Inventato negli anni dal fisico russo Andrei Sakharov (premio Nobel per la pace nel 1975)

27 La fusione termonucleare controllata #27/47 Componenti di un reattore Vessel Blanket Magneti Sistemi di riscaldamento Alimentazioni Scambiatori di calore e turbine

28 La fusione termonucleare controllata #28/47 I potenziali vantaggi /1 La fusione utilizza combustibili che sono abbondanti ed ampiamente disponibili in tutto il mondo. La fusione non produce gas responsabili dell effetto serra (C0 2 ) o delle piogge acide (S0 2, N0 2 ) La fusione è adatta alla produzione di energia elettrica su larga scala

29 La fusione termonucleare controllata #29/47 I potenziali vantaggi /2 Pone (relativamente) pochi problemi di sicurezza: Scorie radioattive poco preoccupanti (He innocuo, strutture potenzialmente attivate ma solo in prossimità del plasma) Materiali radioattivi (T) a basso tempo di decadimento e prodotti in loco Sicurezza intrinseca (solo pochi g di combustibile nel reattore, reazione non a catena che si spegne in pochi secondi in caso di problemi) Rischio bassissimo di rilascio di sostanze radioattive nell ambiente

30 #30/47 La ricerca sulla fusione: breve storia, stato attuale e prospettive future

31 La ricerca sulla fusione #31/47 Capire la fusione Fino al XIX secolo, non si sapeva come il sole producesse energia (combustione, collasso gravitazionale, ) 1905 (annus mirabilis): equivalenza massa energia (E=mc 2 ) A. Einstein, Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, Annalen der Physik 18, : Sir Arthur Eddington ipotizzò che la produzione di energia nelle stelle fosse collegata alla conversione di idrogeno in elio 1928: Irving Langmuir propose il termine plasma per descrivere a region containing balanced charges of ions and electrons 1938: Hans Bethe introdusse una teoria che spiega la produzione di energia tramite fusione nelle stelle (premio Nobel per la fisica nel 1967)

32 La ricerca sulla fusione #32/47 Realizzare la fusione /1 Anni 30: primi esperimenti di fusione al Cavendish laboratory (Cambridge, UK) 1946: Sir George Thomson (premio Nobel per la fisica nel 1937) e Moses Blackman depositano un brevetto per un reattore a fusione : prime bombe H (prima USA e poi URSS) 1961: Bomba Zar, la bomba H più potente mai fatta esplodere (URSS) pari a 57 megatoni ( 4500 volte più potente di quella di Hiroshima)

33 La ricerca sulla fusione #33/47 Realizzare la fusione /2 1951: Spitzer fondò il Princeton Plasma Physics Laboratory (USA) proponendo la configurazione magnetica stellarator 1952: magnetic pinch device a Los Alamos National Laboratory (USA) 1954: ZETA (magnetic pinch device) ad Harwell, vicino Oxford (UK) 1958: Atoms for peace conference in Ginevra: parziale declassificazione degli studi sulla fusione. Gli studiosi russi, americani e britannici cominciano a condividere le ricerche.

34 La ricerca sulla fusione #34/47 Realizzare la fusione /3 1968: configurazione magnetica tokamak, inventata da Andreij Sacharov (premio Nobel per la pace nel 1975) e Igor Tamm. Risultati straordinari in termini di temperatura, densità e tempo di confinamento rispetto alle altre macchine. Anni 70: grosso interesse per i dispositivi tokamak, che vengono progettati e costruiti in tutto il mondo 1983: primo plasma al JET (Joint European Torus), vicino Oxford (UK) 1985: primo plasma al JT-60 (Giappone) 1988: primo plasma a Tore Supra (Francia) Anni 80 e 90: altri dispositivi (più piccoli) entrano in funzione in tutto il mondo (Europa è leader!)

35 La ricerca sulla fusione #35/47 Alcuni record della fusione

36 La ricerca sulla fusione #36/47 La macchina del record Alcune peculiarità tecniche lo rendono ancora oggi pressoché unico nel panorama della ricerca sulla fusione Progettato negli anni 70 Iniziato a costruire nel 1978 Operativo dal 1983 Soggetto a molte migliorie per seguire lo stato delle conoscenze

37 La ricerca sulla fusione #37/47 Il prossimo passo: ITER /1 International Thermonuclear Experimental Reactor Obiettivo: to demonstrate the scientific and technological feasibility of fusion power for peaceful purposes Per raggiungere ciò, ITER: produrrà più potenza di quanta ne consumi (Q 10, potenza da fusione 500 MW) implementerà e testerà le tecnologie chiave necessarie per un reattore a fusione (magneti superconduttori, materiali a bassa attivazione, lithium breeding, remote handling, )

38 La ricerca sulla fusione #38/47 Il prossimo passo: ITER /2 Una cooperazione internazionale per fare un balzo in avanti

39 La ricerca sulla fusione #39/47 Il prossimo passo: ITER /3 1985: Michail Gorbaciov propose a Ronald Reagan di perseguire un progetto per lo sfruttamento pacifico della fusione 1988: inizio del progetto concettuale : progetto ingegneristico (con molte peripezie ) 2005: Selezione del sito (Cadarache, Provenza, Francia) 2008: inizio costruzione (il cantiere è in funzione) Costo previsto: 10 miliardi di EUR (Costoso? Certamente in assoluto, no se paragonato ai bilanci statali di USA e Europa) è stata una scelta vincente? Ai posteri l ardua sentenza

40 La ricerca sulla fusione #40/47 La fusione in Italia /1 FTU (Frascati Tokamak Upgrade) è funzionante a Frascati (Roma) presso il Centro di Ricerca ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente)

41 La ricerca sulla fusione #41/47 La fusione in Italia /2 RFX (nella linea dei Reversed Field Pinches) è funzionante a Padova, presso il Centro di Ricerca del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche)

42 La ricerca sulla fusione #42/47 La fusione a Cassino /1 L Università di Cassino fa parte a pieno titolo dell Associazione EURATOM tramite il Consorzio CREATE (Consorzio di Ricerca per l Energia le Applicazioni Tecnologiche dell Elettromagnetismo) Di cosa ci occupiamo? Modelli matematici e numerici dell interazione plasma /campi elettromagnetici (e.g. analisi e controllo di instabilità MHD) Modellistica numerica elettromagnetica di dispositivi fusionistici (calcolo correnti, forze, carichi termici etc.) Parte del team di progetto di ITER Contributo alle campagne sperimentali del JET Collaborazione modellistica e sperimentale con RFX e FTU

43 La ricerca sulla fusione #43/47 La fusione a Cassino /2 I nostri punti di forza: Modelli numerici innovativi e dedicati ai dispositivi fusionistici Tecniche numeriche di avanguardia (edge elements, parallelizzazione, GPU-acceleration, metodi veloci) (applicabili anche in altri contesti) Codici fatti in casa con caratteristiche uniche nel panorama internazionale Risorse computazionali di avanguardia (cluster CUDALINUX) (applicabili anche in altri contesti) Integrazione di competenze fisiche, numeriche ed ingegneristiche (applicabile anche in altri contesti) Contributi importanti ad esperimenti attualmente funzionanti (e.g. sviluppo del sistema XSC extreme Shape Controller del dispositivo JET) e in fase di progetto (ITER, JT60SA) Parte di una rete di ricerca nazionale ed internazionale

44 La ricerca sulla fusione #44/47 La fusione a Cassino /3

45 La ricerca sulla fusione #45/47 La fusione a Cassino /4 Alcune pubblicazioni del periodo PUSTOVITOV V, VILLONE F. (2010). Effect of ferromagnetic structures on RWM growth rates: a cylindrical model and a verification on JET. PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION, vol. 52; p G. RUBINACCI, S. VENTRE, VILLONE F., Y. LIU (2009). A fast technique applied to the analysis of Resistive Wall Modes with 3D conducting structures. JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, vol. 228; p , ISSN: M. FURNO PALUMBO, Y. Q. LIU, G. RUBINACCI, S. VENTRE, VILLONE F. (2009). Application of a SVD-Based Fast Technique for the Analysis of 3D Instabilities of Fusion Plasmas. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 45; p , ISSN: R. FRESA, G. RUBINACCI, S. VENTRE, VILLONE F., W. ZAMBONI (2009). Fast Solution of a 3-D Integral Model for the Analysis of ITER Superconducting Coils. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 45; p , ISSN: Y. LIU, VILLONE F. (2009). A rigorous approach to study kinetic and 3D effects on resistive wall mode. PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION, vol. 51; p , ISSN: A. PORTONE, VILLONE F., Y. Q. LIU, R. ALBANESE, G. RUBINACCI (2008). Linearly perturbed MHD equilibria and 3D eddy current coupling via the control surface method. PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION, vol. 50; p , ISSN: VILLONE F., Y. Q. LIU, R. PACCAGNELLA, T. BOLZONELLA, G. RUBINACCI (2008). Effects of Three- Dimensional Electromagnetic Structures on Resistive-Wall-Mode Stability of Reversed Field Pinches. PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol. 100; p , ISSN: PORTONE A, RUBINACCI G, VILLONE F., ZAMBONI W (2007). Electromagnetic 3D analysis of an ITER fullsize cable-in-conduit conductor sample. SUPERCONDUCTOR SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 20; p , ISSN:

46 La ricerca sulla fusione #46/47 Quando la fusione? Rebus sic stantibus, qual è la prospettiva? 2020: fine costruzione ITER 2015: in operazione un satellite di ITER (certamente in Giappone: JT60SA, forse anche in Italia: FAST) : operazione di ITER Dopo ITER: DEMO Dimostrare l effettiva produzione di energia elettrica tramite fusione Sviluppare la parte di impianto convenzionale (scambiatori di calore, turbine etc.) Produrre in loco il trizio Se/quando? Dipende dal successo di ITER

47 #47/47 Fusion will be there when society needs it (Lev Artsimovich) Grazie per l attenzione Fabio Villone, villone@unicas.it

48 #48/47 Backup slides

49 Le prospettive future #49/47 Quando la fusione? /1 1933: Lord Rutherford (premio Nobel per la chimica nel 1908): anyone who looks for a source of power in the transformation of the atom is talking moonshine Anni 70: un pamphlet della General Atomics (USA) riportava: several commercial fusion reactors are expected to be online by the year 2000 In generale, fino agli anni 80 inoltrati, le prospettive apparivano rosee alla luce degli sviluppi rapidissimi e molto promettenti della linea tokamak Cosa è successo?

50 Le prospettive future #50/47 Quando la fusione? /2 La prospettiva di realizzare ITER ha bloccato per oltre un decennio l avanzamento nella realizzazione di ulteriori dispositivi per problemi politici ed economici Gli unici dispositivi che attualmente sono in costruzione o all inizio delle operazioni sono o alternativi (stellarator) o di taglia medio-piccola nei paesi dell estremo oriente (Cina e Corea) L Europa ha bloccato a fine anni 80 il progetto di NET (Next European Torus), che a conti fatti sarebbe stato simile ad ITER (ma forse con 15 anni di vantaggio ) What if?

51 Le prospettive future #51/47 Per riassumere Anni 20 40: comprensione del fenomeno Anni 50 60: studi sperimentali pioneristici Anni 70 80: the tokamak era Anni : Aspettando Godot Anni : ITER & satellite Anni 2030 e oltre: DEMO & more?