Paolo Buratti. Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione, Frascati, Italy

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1 Le energie alternative nel III Millennio Frosinone 3-5 Maggio 2007 La Fusione Nucleare Paolo Buratti Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione, Frascati, Italy

2 Un reattore a fusione di grandi dimensioni

3 Il primo uso umano della fusione

4 SOMMARIO L energia e la sua origine Confronto tra fissione nucleare e fusione nucleare La fusione a confinamento magnetico Gli esperimenti in corso Problemi e prospettive

5 Che cos è l energia? La parola ha origine dal vocabolo greco Ενεργεια, che combina le parole en ergon = in opera. Il significato attribuito a questa parola era vago: poteva essere forza, attività, azione, o anche atto soprannaturale. A partire dal lavoro di Keplero, l energia è diventata una quantità fisica, e quindi serve a misurare. Cosa misura l energia? La capacità di compiere lavoro, ovvero spostare un oggetti applicando una forza (energia mecanica: la motrice che sposta il treno, ) La capacità di aumentare la temperatura di un oggetto (energia termica per far bollire l acqua nella pentola, scaldare le nostre case, ) Produrre luce o trasmettere informazioni (energia elettrica) Il funzionamento degli organismi viventi richiede un continuo flusso di energia (energia chimica, dal cibo ai processi cellulari)

6 L origine dell energia nell Universo Il Big Bang ha prodotto l idrogeno. L energia gravitazionale ha formato le stelle e attivato la fusione nucleare, che forma elementi più pesanti a partire dall idrogeno e libera energia.

7 Un reattore a fusione di grandi dimensioni L esito del ciclo di Bethe: 1 H+ 1 H+ 1 H+ 1 H 4 He + 25 MeV. Altre reazioni producono elementi via via più pesanti.

8 L origine dell energia nell Universo La produzione di elementi per fusione nucleare si ferma al ferro. Gli elementi più pesanti del ferro sono prodotti dalle esplosioni stellari. Resti della supernova 1987A

9 La fissione nucleare Gli elementi più pesanti che si sono formati nelle esplosioni stellari (come l uranio) possono restituire l energia che hanno ricevuto, in un processo che si chiama fissione nucleare.

10 Un reattore a fusione di grandi dimensioni L esito del ciclo di Bethe: 1 H+ 1 H+ 1 H+ 1 H 4 He + 25 MeV. Il ciclo di Bethe e gli altri che partono dall idrogeno richiedono grandi densità e grandi dimensioni = confinamento gravitazionale.

11 La reazione Deuterio-Trizio Per ottenere energia da fusione sulla Terra dobbiamo partire da isotopi dell idrogeno che reagiscono più facilmente: Il combustibile (D+T) reagisce quando è scaldato a temperature maggiori di 100 milioni di gradi. A queste temperature gli atomi si rompono, ovvero gli elettroni si separano dai nuclei e si forma il quarto stato della materia (dopo solido, liquido e gassoso): il plasma.

12 Vari tipi di plasma

13 Il confinamento magnetico del plasma Non potendo costruire una stella non possiamo usare il confinamento gravitazionale e quindi dobbiamo trovare un modo diverso per confinare il plasma. Un campo magnetico può confinare il plasma perchè le particelle cariche seguono orbite a spirale attorno alle linee di campo.

14 Confinamento del plasma lungo linee di campo magnetico Superficie solare MAST (tokamak sferico, Culham, UK)

15 Configurazioni lineari e toroidali (a ciambella) Plasma non magnetizzato Configurazioni lineari: sopravvivono come esperimenti di base. Configurazioni toroidali: costituiscono il mainstream della ricerca sulla fusione

16 Configurazioni toroidali nate negli anni 50 (periodo delle ricerche classificate) Reversed Field Pinch (UK) forte auto-organizzazione: il plasma modifica completamente il campo magnetico. Tokamak (USSR) media auto-organizzazione: La componente toroidale del campo è imposta da bobine esterne. Stellarator (USA) bassa auto-organizzazione: anche il campo poloidale è imposto da bobine esterne. Inizio anni 60: tutti gli esperimenti hanno T < 0.03 kev. Si teme l esistenza di un limite insuperabile (diffusione di Bohm).

17 1969: lo scatto in avanti del tokamak Il tokamak T3 raggiunge T = 1 kev: non c è diffusione di Bohm. Successo scientifico e collaborazione internazionale (URSS-UK).

18 Schema di un tokamak La componente toroidale del campo magnetico è prodotta da bobine avvolte attorno all anello di plasma. Il solenoide centrale induce una corrente che genera il plasma (breakdown) e lo scalda. Altre bobine controllano la posizione del plasma.

19 Il più grande tei tokamaks esistenti: Joint European Torus (Culham, UK)

20 L interno del JET, con e senza plasma

21 Caratteristiche del plasma e requisiti primari per la fusione Abbiamo già visto due caratteristiche: la temperatura T e la densità n. La terza è il tempo di confinamento τ : quanto a lungo il confinamento magnetico riesce a trattenere l energia del plasma. I requisiti fondamentali per realizzare la fusione sono: temperatura T >10 kev (100 milioni di gradi); densità n e tempo di confinamento τ tali che n τ > sec/m 3. In queste condizioni si ha l ignizione: l energia delle particelle alfa ( 4 He ++ ) sostiene la temperatura del plasma, mentre quella portata dai neutroni si può raccogliere all esterno.

22 Altri requisiti per la fusione Oltre a produrre un plasma caldo e denso, dobbiamo: Mantenerlo stabile Sostenerlo per ore o giorni Realizzare strutture che sopportino il carico termico

23 Requisiti Tempo di confinamento Densità Durata Carichi termici Problemi Il plasma è turbolento e perde energia rapidamente. Ad alta densità il plasma diventa instabile. Si debbono esplorare nuovi scenari e nuove tecnologie. Il plasma non rilascia energia in maniera continua, ma in brevi impulsi molto intensi.

24 Strutture nella turbolenza del plasma Z. Lin et al, Science, 281, 1835 (1998).

25 Isole magnetiche nel Tokamak di Frascati

26 Configurazioni con divertore per il carico termico ITER JET

27 Evoluzione del tokamak (1) 1960

28 Evoluzione del tokamak (2) 1980

29 Evoluzione del tokamak (3) 1990

30 2015 ITER Esperimento internazionale per la fusione Europa, Giappone, Stati Uniti, Russia, Cina, Corea del Sud

31 Esperimenti sulla fusione in Italia FTU (Frascati) Raggio maggiore Raggio minore Campo magnetico R= 0.94 m a = 0.3 m B = 8 T RFX (Padova) Raggio maggiore Raggio minore Campo toroidale R= 2 m a = 0.5 m B = 0.7 T

32 Avvicinamento all ignizione

33 Il progetto IGNITOR R = 1.32 m B = 13 T Obiettivi: Dimostrare l ignizione di un plasma a confinamento magnetico. Ottimizzare le strategie di accensione. Sviluppare metodi di controllo del plasma acceso.

34 Il progetto ITER R = 6.2 m B = 5.3 T Obiettivi: Studiare plasmi parzialmente sostenuti dai prodotti di reazione. Integrazione degli scenari (controllo, confinamento, carichi termici). Sviluppo della tecnologia.

35 Domande per il futuro Si possono evitare le instabilità? Si possono integrare gli scenari? Si può controllare il plasma ignito? Si può distribuire il carico termico? Si può estendere il limite di densità?