Lezione 1 Introduzione al corso di Fisica del Plasma Confinato

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1 Lezione 1 Introduzione al corso di Fisica del Plasma Confinato G. Bosia Universita di Torino Anno Accademico

2 Programma del corso Il corso di Fisica del Plasma confinato consiste di 48 ore di lezione che saranno raggruppate in 24 Lezioni di 2 ore. Le lezioni saranno tenute di norma in Aula magna con orario: Lunedi Mercoledi Giovedi A causa di indisponibilita dell Aula Magna, in data 19 aprile(domani) non si terra lezione in data 2 maggio la lezione sara tenuta in aula Wataghin in data 23 Maggio la lezione sara tenuta in aula D in data 24 Maggio la lezione sara tenuta in aula Avogadro Le lezioni saranno normalmente tenute con l ausilio di diapositive elettroniche che saranno messe a disposizione degli studenti (in forma elettronica). Proporrei di intervallare alle normali lezioni qualche discussione su argomenti a carattere monografico (tipo seminario), su argomenti specifici su temi legati alle problematiche della fusione controllata. Alcuni titoli possibili : Prospettive energetiche della fusione termonucleare quale sorgente di energia elettrica ; Il progetto ITER, Tecniche di fisica sperimentale su macchine termonucleari ecc. o legati a questioni energetiche. Saro a disposizione degli studenti per informazioni, discussioni ecc due volte alla settimana, nel pomeriggio del Lunedi e Mercoledi. Contattatemi per per un appuntamento 2

3 Diapositive elettroniche Nota : Queste diapositive elettroniche sono state da me usate nelle lezioni dell Anno Accademico Il loro scopo e presentare in un modo conciso e graficamente non troppo pasticciato un sommario degli argomenti delle lezioni. Non intendono essere le dispense del corso, e consiglio gli studenti di prepararsi per l esame sui testi di Fisica consigliati, dove la materia è trattata in modo piu ampio e sistematico. Mi scuso in anticipo per gli errori (spero soltanto tipografici) del testo e sarò grato a chi volesse segnalarmeli. I files PDF delle lezioni si trovano sul sito http// nel folder tecnologie avanzate a partire dal giorno successivo a quello della lezione G.B 3

4 Programma del corso Il corso si propone di fornire agli studenti una introduzione : alla problematica della produzione di energia mediante fusione termo-nucleare alla fisica di plasmi confinati magneticamente, con caratteristiche fisiche rilevanti per la produzione di energia per fusione termonucleare. ai metodi di confinamento magnetico, in particolare in strutture magnetiche toroidali, allo studio della fisica della propagazione e dei principali meccanismi di assorbimento e di conversione di onde elettromagnetiche nel plasma, con particolare riferimento alle frequenze utilizzate per il riscaldamento del plasma a temperature termonucleari e per la generazione non induttiva di corrente. a cenni sulle tecnologie utilizzate in un reattore a fusione 4

5 Programma corso L argomento trattato e molto vasto in qualche caso anche matematicamente complesso. Questo mi impedirà di trattare i vari argomenti in un modo completo e sistematico. Nel preparare queste lezioni ho prelevato materiale da diversi testi G. Schmidt Physics of High Temperature Plasmas Academic Press, NY-London F.F Chen Plasma Physics and Controlled Fusion Plenum Press, NY-London J.Wesson Tokamaks Oxford Science Publications N.A.Krall, A.W.Trivelpiece, Principles of Plasma Physics Questi libri sono tutti disponibili in Biblioteca. Indichero verso la fine del corso in quali capitoli cercare gli argomenti svolti 5

6 Contatti Sono contattabile presso i Dipartimenti di Fisica (II Piano), personalmente e mediante to.infn.it oppure: giuseppe.bosia@ph.unito.it Per le mie comunicazioni agli studenti normalmente utilizzo il sito internet : http// accessibile anche cliccando sul mio nome nel sito del CCS di Fisica Che ha questo aspetto : Name Last modified Size Description Parent Directory 24-Apr :19 - Scienze Naturali 02-Mar :30 - Fisica Tecnologie Avanzate > 21-Apr :48 - Indirizzi 06-Oct :13 4k 6

7 Possibilita di tesi di Laurea e Stages su argomenti di Fusione Nucleare Prima della fine del mese, sul mio sito saranno disponibili due proposte di tesi di laurea sperimentale riguardanti lo studio e la progettazioni di componenti di sistemi di riscaldamento radiofrequenza del plasma del reattore sperimentale ITER, la cui costruzione e da poco iniziata presso il Laboratorio del CEA di Cadarache (F) Si tratta di un progetto a larga partecipazione internazionale che fede coinvolti EU, US, RF, JA, CH, CO, IN,e che si propone la prima dimostrazione sperimentale della fattibilita di un reattore a fusione Il periodo di costruzione e di 10 anni e quello dello sviluppo dei 20 successivi. Si tratta del primo tentativo di affrontare un problema di carattere generale (quale quello della produzione di energia ) da un team a partecipazione mondiale 7

8 Introduzione In questo corso saranno trattati argomenti di Fisica di un plasma a temperatura termonucleare confinato magneticamente in uno spazio definito. Plasma : gas ionizzato avente un contenuto energetico/particella superiore all energia di ionizzazione. In questa condizione energetica praticamente tutti gli atomi del gas sono ionizzati, ed elettroni e ioni si muovono nello spazio, soggetti a forze di tipo elettromagnetico prodotte da campi elettrici e magnetici esterni e/o generati internamente dalle distribuzioni di carica e di corrente dovute al moto delle particelle stesse, interagendo fra di loro mediante collisioni di tipo elettromagnetico (scattering Rutherford). A causa della presenza dei campi magnetici, che impongono traiettorie curve ortogonali alle linee di forza del campo, la dinamica delle componenti di un plasma non e inerziale e il moto di una particella singola e in generale piuttosto complesso.. 8

9 Che cos e un plasma? uno stato della materia Aumentando la temperatura Un plasma e un ottimo conduttore di elettricita 9

10 Metodi di produzione di energia nucleare I metodi di produzione di energia nucleare si basano sull eccesso di massa Mass per nucleon Z D n n T Fusion He n Fission U 10

11 Sezioni d urto di fissione e fusione Fission Fusion Per ottenere energia di fusione : Un energia sufficiente ( 10 2 kev) deve essere impartita ai nucleoni -> alta temperatura (10 8 C) -> la materia si trova allo stato di plasma 11

12 Reazioni di fusione D + D D + 3 He D + T facile : maggiore sezione d urto a bassa temperatura D + T D + T -> 4 He + n + E n + 6 Li -> 4 He + T n + 7 Li -> 4 He + T + n 12

13 Come si puo confinare un plasma? Un plasma termonucleare ha temperature equivalenti di centinaia di milioni di gradi e non puo pertanto esere contenuto da un contenitore meccanico, di cui causerebbe una distruzione immediata 13

14 Funzionamento di una macchina a confinamento magnetico Per generare un plasma a temperatura termonucleare si parte infatti da un gas neutro a bassa pressione, contenuto in un recipiente metallico, e lo si ionizza a bassa temperatura mediante campi elettrici (pre-ionizzazione). Prima di aumentarne sensibilmente la temperatura lo si isola dal contenitore creando una struttura magnetica che confina le particelle del plasma in modo da limitare al massimo lo scambio di calore con il contenitore. I campi magnetici sono prodotti da elettromagneti supra conduttori operanti alla temperatura di elio liquido (confinamento) Sono state studiate ed utilizzate diverse strutture magnetiche a topologia lineare e toroidale. Le seconde hanno mostrato una migliore efficienza di confinamento e sono praticamente le sole utilizzata al presente. 14

15 Confinamento Magnetico Confinamento magnetico La proprieta di particelle cariche di spiralizzare attorno alle linee di forza di un campo magnetico e alla base dei metodi di confinamento magnetico di un plasma termonucleare. Il campo magnetico limita il numero di gradi di liberta del moto ad uno solo Le particelle possono tuttavia muoversi liberamente lungo le linee di campo. Due metodi sono utilizzati per il confinamento assiale: Aumentando il valore del campo magnetico alle estremita della zona di confinamento (specchio magnetico) -> confinamento in geometria lineare Chiudendo su se stesse le linee di campo -> confinamento magnetico toroidal Tuttavia un campo puramente toroidale non puo confinare il plasma E necessario un campo elicoidale (Tokamak. Stellarator) 15

16 Componenti di un sistema Tokamak JET: il Tokamak Europeo plasma volume magn. field. plasma current 60 m 3 up to 4 T up to 5 MA 16

17 Un ottante del JET durante il montaggio 17

18 Interno del JET con e senza plasma 18

19 Energia di fusione prodotta in dispositivi sperimentali 16 MW in a D-T plasma, with 20 MW input power into the plasma total output : max 16 MW τ E (Q = 0.8) ma non auto sostenuta! 19

20 Quanto siamo distanti da un reattore a fusione? Q = fusion power out ext. power in Evolution of the performance over the years matches that of computers Moore s law n τ E T 20

21 Dimensioni di un reattore dalle leggi di scala 30 years AUG JET ITER 21

22 ITER estimated cost : Million Euro R (m) a (m) V P (m 3 ) I P (MA) B t (T) δ,κ P aux (MW) P (MW) α (17) , Q (P fus /P in ) 10 β T, β P 2.5%, 0.7 ITER sara una macchina nucleare 0.5 x neutrons/s 22