Ricerca e prospettive della fusione nucleare - Il progetto ITER

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Ricerca e prospettive della fusione nucleare - Il progetto ITER"

Maddalena Alessi
7 anni fa
Visualizzazioni

1 Ricerca e prospettive della fusione nucleare - Il progetto ITER Paola Batistoni Unità Tecnico Scientifica FUSIONE ENEA - Frascati INFN Sezione di Roma 12 giugno 2006

2 Che cos è la fusione nucleare? E una reazione nucleare in cui due nuclei leggeri si fondono per dare origine ad un nucleo più pesante con conseguente rilascio di energia. èallabase della formazione degli elementi più pesanti a partire dall idrogeno alimenta il sole e tutte le stelle ed è studiata nei laboratori di tutto il mondo come fonte di energia fusione fissione La fusione è la reazione opposta alla fissione

3 Esempi di reazioni di fusione Catena del protone nelle stelle medio piccole (es. sole) p + p D + e + + ν e (2 volte) D + p 3 He + γ (2 volte) 3 He + 3 He 4 He + 2p Reazioni di fusione in laboratorio (D+D) n 3 He + n MeV (D+D) p T + p MeV D+T 4 He + n MeV occorre alta energia cinetica dei reagenti per superare la barriera coulombiana

4 Si può ottenere energia dalla fusione? D+T α (3.5MeV) + n (14.1 MeV) è favorita Si può ottenere energia da fusione con un plasma DT a T > kev Il plasma confinato permette di utilizzare le alfa per scaldare il plasma ( termonucleare) P est +P α = 3nkT/τ E P est 0 ntτ Ε > m -3 kev s T 20 kev

5 Quali sono i vantaggi dell energia da fusione? Assenza di produzione di CO 2 e di altri gas serra Sicurezza Combustibile uniformemente distribuito sulla terra e praticamente illimitato D + T Deuterio : 1 g in 39 litri di acqua 4 He + n Trizio: isotopo radioattivo a vita breve (t 1/2 =12.3 anni) non presente in natura, può essere prodotto in ciclo chiuso nel reattore n + 6 Li 4 He + T n + 7 Li 4 He + T + n Litio : molto abbondante nelle rocce, oceani, acque minerali

6 Schema di un reattore a fusione 110 kg di D e 380 kg di Li all anno per 1000 MWe

magnetico generato da un solenoide chiuso a forma di toro Perché un plasma toroidale sia in

7 Come confinare un plasma termonucleare? Confinamento magnetico Si può evitare il contatto con le pareti del contenitore utilizzando un campo magnetico generato da un solenoide chiuso a forma di toro Perché un plasma toroidale sia in equilibrio, le linee di campo magnetico devono avvolgersi sulla colonna di plasma ( corrente di plasma, bobine esterne) Esempio di configurazione toroidale: il Tokamak ( ITER)

8 Il Tokamak di Frascati Frascati Tokamak Upgrade (FTU) R 0 = 93.5 cm, a= 33 cm, B = 8 T, I = 1.6 MA, n m 3, T 15 kev Il plasma di FTU osservato da una finestra orizzontale

con un plasma DT (65% della potenza assorbita, E = 21 MJ) R 0 =

9 JOINT EUROPEAN TORUS (JET) la macchina per la fusione più grande al mondo Record mondiale nel MW di potenza di fusione con un plasma DT (65% della potenza assorbita, E = 21 MJ) R 0 = 2.96 m a = 1.25 m /2.10 m B = 3.45 T, I = 4.8 MA n m 3 T 20 kev

10 Come scaldare il plasma fino alla temperatura a cui si innescano le reazioni di fusione? Riscaldamento ohmico: effetto Joule dovuto alla corrente di plasma ( 1-2 kev) Sistemi addizionali ( ~20 kev) microonde: assorbimento risonante di onde a radiofrequenza fasci al alta energia: atomi neutri iniettati nel plasma ad alta energia Una volta raggiunte le condizioni per la fusione, il plasma si autosostiene D + T 4 He (3.5 MeV) + n (14 MeV)

11 La ricerca sulla fusione in Europa coordinata dalla Commissione Europea nell ambito del trattato EURATOM La macchina europea JET FTU RFX

12 La ricerca sulla fusione nel mondo: Gli esperimenti di fusione a confinamento magnetico nel mondo

13 A che punto siamo? Q = P fusione /P est Parità: Q = 1 Nel reattore: Q >> 1 JET: Q = (1997) ITER: Q =

Il prossimo passo: ITER ( la via ) Europa, Giappone, Stati Uniti, Russia, Cina, Corea del Sud, India (Cadarache, EU-F) Dimostrare la fattibilità fisica di un plasma termonucleare, dimostrare la

14 Il prossimo passo: ITER ( la via ) Europa, Giappone, Stati Uniti, Russia, Cina, Corea del Sud, India (Cadarache, EU-F) Dimostrare la fattibilità fisica di un plasma termonucleare, dimostrare la fattibilità tecnologica di un reattore a fusione R 0 = 6.2 m, a = 2 m/3.4 m B = 5.3 T, I = 15 MA n m -3, T 20 kev Potenza di fusione 500 MW Obiettivi: Q = 10 per circa 300 s Q = 5 in stato stazionario Costo: 5 B Costruzione: Primo plasma: 2016

settori Port Riscaldamento Generazione di corrente Diagnostiche RH Pompe criogeniche 8

15 Solenoide centrale Nb 3 Sn, 6 moduli Magnete toroidale Nb 3 Sn, 18 bobine Bobine del campo magnetico poloidale Nb-Ti, 6 La macchina ITER Modulo di Blanket 440 moduli Vacuum Vessel 9 settori Port Riscaldamento Generazione di corrente Diagnostiche RH Pompe criogeniche 8 unità Schermo biologico Criostato 24 m x 28 m dia. Divertore 54 moduli Volume di Plasma : 840 m 3

16 Progressi determinanti che hanno portato a ITER ITER è il risultato del progresso nella comprensione della dinamica dei plasmi termonucleari Controllo e stabilità del plasma Smaltimento del calore e delle ceneri Accesso a regimi a basso trasporto di calore ITER è il risultato di vent anni di R&S in vari aspetti tecnologici Sviluppo di sistemi per il riscaldamento e la generazione di corrente Sviluppo dei magneti superconduttori di grandi dimensioni Sviluppo materiali/componenti per alti flussi di calore (10-20 MW/m 2 )

Controllo e stabilità del plasma, smaltimento del calore e delle ceneri Il tokamak: non più solo un toroide forte shaping delle superfici di flusso magnetico: maggiore stabilità, pressione di plasma

17 Controllo e stabilità del plasma, smaltimento del calore e delle ceneri Il tokamak: non più solo un toroide forte shaping delle superfici di flusso magnetico: maggiore stabilità, pressione di plasma e corrente per un dato campo magnetico maggiore densità di energia e migliore confinamento delle alfa superficie limite magnetica ( separatrice ) e piastre di smaltimento ( divertore ) verso le cui fluiscono il calore e le ceneri che escono dal plasma maggiore purezza del plasma

18 Accesso a regimi a basso trasporto di calore Modo H (ITER) turbolenza ridotta al bordo del plasma ben caratterizzato, affidabile e riproducibile (leggi di scala semiempiriche)

19 Sezione del conduttore in Nb 3 Sn di tipo Cable-in-Conduit Conductor (CICC) in scala 1:1 per i magneti di ITER Prototipo della bobina del magnete toroidale di ITER Elemento di divertore Prototipi di scambiatori di calore di tipo monoblocco per il divertore di ITER con tegole di tungsteno e di CFC tiles

Aspetti la cui soluzione è rimandata al reattore dimostrativo (programma di R&S parallelo a ITER) Blanket triziogeno In ITER non si avrà produzione di Trizio (sarà fornito dall esterno) In ITER

20 Aspetti la cui soluzione è rimandata al reattore dimostrativo (programma di R&S parallelo a ITER) Blanket triziogeno In ITER non si avrà produzione di Trizio (sarà fornito dall esterno) In ITER saranno provati diversi moduli corrispondenti a concetti diversi di blanket triziogeni Materiali ITER utilizzerà materiali già disponibili (e.g. acciaio AISI-316) In parallelo ad ITER, si svilupperanno i materiali per il reattore dimostrativo ed oltre (reattore di potenza)

Effetti dei neutroni sui materiali I neutroni di fusione sono più veloci (14 MeV) di quelli di fissione (< ~ 2 MeV) Sezioni d urto neutroniche in 56 Fe possibili

21 Effetti dei neutroni sui materiali I neutroni di fusione sono più veloci (14 MeV) di quelli di fissione (< ~ 2 MeV) Sezioni d urto neutroniche in 56 Fe possibili reazioni a più alta soglia energetica trasmutazioni nucleari, maggiore produzione di H, He (bolle, swelling) maggiore produzione di difetti reticolari (vacanze, interstiziali...)

Sviluppo di materiali per la fusione: Acciai speciali EUROFER, F82H: attivazione ridotta Temperatura di lavoro 300-550 C

22 Sviluppo di materiali per la fusione: Acciai speciali EUROFER, F82H: attivazione ridotta Temperatura di lavoro C (infragilimento a bassa temperatura da irraggiamento) Altri materiali avanzati (SiC): attivazione ridotta Temperatura di lavoro 1000 C

23 La roadmap della fusione (fast track)

Sorgente di neutroni intensa per i test sui materiali per DEMO / PROTO International Fusion Materials Irradiation Facility IFMIF - (EU, JA, US, RF) ITER DEMO IFMIF-HFTM Intensità della sorgente (n/s)

24 Sorgente di neutroni intensa per i test sui materiali per DEMO / PROTO International Fusion Materials Irradiation Facility IFMIF - (EU, JA, US, RF) ITER DEMO IFMIF-HFTM Intensità della sorgente (n/s) 2 x Flusso neutronico (n/cm 2 /s) 4 x x x Produzione di H (appm/fpy) Produzione di He (appm/fpy) Displacements per atom H/DPA (appm/dpa) * He/DPA (appm/dpa) ** * In uno spettro di fissione ~10, ** In uno spettro di fissione ~ 1

25 IFMIF Accelerator Target Test Cell Deuteron accelerators: 40 MeV ma (10 MW) Beam heat removal with high speed liquid Li flow Li flow Irradiation volumes 0.5L, n/(scm 2 ), >20 dpa/y 6L, >1 dpa/y 8L, < 1 dpa/y Two accelerators D + beams D + Test pieces (~10 17 n/s ECR source RFQ DTL Heat exchanger ECR source: 155 ma, 95 kev Two 175 MHz Accelerators: each 125 ma and 40 MeV, acceleration by Radio Frequency Quadrupoles (RFQ) and Drift Tube Linacs (DTL). EM pump Typical reactions: 7 Li(d,2n) 7 Be, 6 Li(d,n) 7 Be, 6 Li(n,T) 4 He. Beam footprint on Li target: 20cm wide x 5cm high (1 GW/m 2 )

26 Il ruolo dell Italia (ENEA, CNR, INFN, Università, industrie) ITER Sistemi di riscaldamento (beam ioni negativi, sistemi microonde) Diagnostiche (Neutron camera) Magneti superconduttori Componenti affacciati al plasma Altre forniture Programma di accompagnamento europeo e Broader Approach FT3 esperimento tokamak italiano in supporto ad ITER (fisica delle particelle energetiche) Tokamak satellite (studio degli scenari avanzati) IFMIF Progettazione e costruzione della sezione a bassa energia di uno dei due acceleratori, progettazione della parte bersaglio DEMO attività di progettazione del reattore dimostrativo/prototipo (DEMO/PROTO) (breeder blanket, materiali, dati nucleari etc).

La fusione potrebbe svolgere un ruolo importante a partire dalla seconda metà del secolo come fonte di energia rispettosa dell ambiente, sicura, illimitata sostenibile ( che soddisfa le necessità

27 La fusione potrebbe svolgere un ruolo importante a partire dalla seconda metà del secolo come fonte di energia rispettosa dell ambiente, sicura, illimitata sostenibile ( che soddisfa le necessità delle attuali generazioni senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare le proprie ) (Rapporto Burtland, World Commission on Environment and Development, 1987). Di fronte alle difficoltà dell impresa, il fisico russo Artsimovich, padre del tokamak, diceva: La fusione ci sarà quando la società ne avrà bisogno. Ormai potrebbe non mancare molto, l importante è essere pronti

Documenti analoghi

Le prospettive dell energia da fusione nucleare e il progetto ITER. Francesco Romanelli ENEA, Frascati

Le prospettive dell energia da fusione nucleare e il progetto ITER Francesco Romanelli ENEA, Frascati Motivazioni Il problema energetico Nel 2050 30TW rispetto ai 13TW attuali Massimo della produzione