Aspetti di Elettromagnetismo Applicato nella Fusione Termonucleare Controllata

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1 Scuola Nazionale Dottorandi di Elettrotecnica Ferdinando Gasparini Corso Breve Aspetti di Elettromagnetismo Applicato nella Fusione Termonucleare Controllata Francesco Gnesotto, Università di Padova con il contributo di Raffaele Albanese, Università di Reggio Calabria 1

2 Sommario Introduzione Prospettive per la fusione termonucleare controllata La strada verso il reattore a fusione La situazione attuale Il Tokamak ITER Obiettivi Caratteristiche Parametri Configurazioni di campo Introduzione ai due problemi 1) Controllo della posizione e della forma di un plasma assisimmetrico all equilibrio 2) Stabilità MHD e stabilizzazione verticale (Prof. Raffaele Albanese) Pre-requisiti: conoscenza dei principi della fusione 2

3 Introduzione Necessità di sviluppare nuove fonti di energia nell arco dei prossimi decenni Esaurimento delle fonti fossili Impatto ambientale della combustione Problemi di accettabilità della fissione Disponibilità limitata delle fonti rinnovabili Caratteristiche richieste alle nuove fonti di energia Ecocompatibilità Sicurezza Abbondanza Disponibilità diffusa 3

4 La strategia energetica La fusione deve essere sviluppata assieme alle altre fonti energetiche che possiedono, almeno in parte, le caratteristiche citate. Gli investimenti nella ricerca su tutte queste fonti energetiche devono essere incrementati Il successo nello sviluppo della fusione quale fonte di energia non è certo. Non è neppure certo che la fusione sarà necessaria, ma il costo della ricerca è oggi un premio di assicurazione sulla vita delle future generazioni. 4

5 Perchè la fusione A - Ambiente Non produce gas-serra I prodotti della fusione non sono radioattivi nè tossici La radiotossicità dei materiali sottoposti a flusso neutronico decade con tempi caratteristici di decenni Con reazioni avanzate si potranno eliminare i neutroni B Sicurezza Elevatissimo livello di sicurezza intrinseca Limitata quantità di reagenti nel vessel Conseguenze limitate anche nel peggiore incidente prevedibile Nessun trasporto di materiale radioattivo C Abbondanza Il Deuterio si ricava dall acqua: riserve illimitate su scala umana Il Trizio viene prodotto, all interno del reattore, dal Litio, abbondante in natura D Disponibilità La materie prime (acqua e litio) sono disponibili su tutta la Terra Ridotto rischio di conflitti (petrolio, gas, uranio!) 5

6 Schema del reattore n + 7 Li > 4 He + T + n 6

7 La strada verso il reattore - 1 Principali problemi aperti La capacità di confinamento del plasma Il controllo delle instabilità Il carico termico sulla parete (in particolare il divertore) Il carico neutronico sul mantello e sui componenti interni La durata della reazione 7

8 La strada verso il reattore - 2 Gli attrezzi per risolverli Esperimenti di medie dimensioni per capire la fisica del confinamento e sviluppare metodi di controllo Esperimenti di maggiori dimensioni che simulano parte delle condizioni operative di un reattore Un reattore sperimentale Un laboratorio di prova dei materiali del reattore commerciale In parallelo, sono essenziali lo sviluppo della teoria e modellistica il progetto concettuale del reattore dimostrativo (DEMO) studi socio-economici 8

9 La strada verso il reattore - 3 Materiali strutturali Mantello R&D Tecnologia Componenti Magneti SC Ciclo del Trizio Componenti esposti al plasma Robotica Sistemi di riscaldamento Sicurezza Test del mantello in ITER IFMIF R&D Fisica Macchine esistenti e nuove Confinamento Controllo delle impurezze Stabilità del plasma Fisica di ITER/DEMO ITER DEMO 9

10 Fast track ITER Costruzione Esperimenti base Esperim. estesi Test sul mantello Smantell. ESPERIMENTI SU MACCHINE ESISTENTI E NUOVE (JET, JT-60, DIIID, ALTRE) SVILUPPI TECNOLOGICI Sviluppo mantello Sviluppo dei materiali (test facilities e IFMIF) Conferma Fisica di DEMO Conferma DB materiali DEMO Definizione della configurazione Progetto CDA Progetto EDA R&D Costruzione Produzione di potenza elettrica Sviluppo del mantello per alto Q e regime stazionario Decisione di costruire Licenze Connessione a rete 10

11 Il Tokamak 11

12 Il JET 12

13 JET I risultati Esperimenti in D-T (limitati) Potenza max di fusione 16.1 MW Energia liberata 22 MJ Prima chiara evidenza di riscaldamento del plasma da particelle α Impulso lungo 4s, potenza di fusione 4MW Temperatura ionica max 40 kev 13

14 ITER 14

15 ITER: storia recente 28 giugno 2005 i rappresentanti di EU, USA, Giappone, Russia, Cina e Corea concludono i negoziati asssegnando ITER all Europa (Cadarache) l accordo prevede un ulteriore collaborazione bilaterale tra EU e Giappone: Broader Approach 7 novembre 2005 Kaname Ikeda è nominato direttore generale da aprile dicembre 2005 Si concludono le negoziazioni a livello tecnico L India aderisce come settimo partner di ITER 1 aprile 2006 Norbert Holtkamp è nominato vice-direttore principale 24 maggio 2006 Viene siglato a Bruxelles dai 7 partner l ITER Agreement 15

16 ITER: obiettivi Ottenere Q>10 per alcuni minuti Funzionare in condizioni stazionarie con Q>5 Rendere possibile l ignizione controllata Integrare le tecnologie essenziali del reattore (magneti superconduttori, robotica etc.) Sperimentare componenti del reattore (divertore, sistemi di pompaggio etc.) Provare moduli del mantello fertilizzante 16

17 ITER: specifiche tecniche Durata dell impulso induttivo : s Numero di impulsi: alcune decine di migliaia Riscaldamento prevalente da particelle α Flusso neutronico medio > 0.5 MW/m 2 Fluenza media > 0.3 MWa/m2 17

18 ITER: parametri Units Raggio maggiore del plasma Raggio minore del plasma Volume del plasma Corrente di plasma Campo toroidale sull asse Potenza di fusione Durata della combustione Guadagno di potenza >400 >10 m m m 3 MA T MW s 18

19 ITER: configurazioni di campo 1 Campo Toroidale A parte un piccolo effetto di diamagnetismo del plasma il campo è prodotto solo dal magnete e la distribuzione spaziale è semplicemente: B ϕ = B ϕ 0 R0 R 19

20 ITER: configurazioni di campo 2 Campo poloidale Configurazione molto più complessa Prodotta da: la corrente toroidale di plasma gli avvolgimenti di equilibrio le correnti indotte su conduttori passivi ( camera da vuoto, scocca, struttura meccanica) NB: il trasformatore non deve produrre campo nella zona del plasma 20

21 Corrente nel plasma La corrente di plasma può essere prodotta 1. dal campo elettrico trasformatorico A t Il campo elettrico è pressochè uniforme sulla sezione La densità di corrente indotta risulta σ è propo rzionale a T 3/2 T è maggiore al centro che in periferia, J è perciò piccata 2. dal trasferimento di quantità di moto agli ioni per mezzo di: - iniezione di fasci tangenziali di particelle neutre - onde elettromagnetiche J ϕ = σ E ϕ 3. dagli effetti di bootstrap : dovuti all anisotropia del tensore della pressione in geometria toroidale, che produce sugli elettroni una forza tangente alle superfici magnetiche 21

22 Gli avvolgimenti di equilibrio 22

23 Campo poloidale complessivo 23

24 Il divertore - 1 Plasma assisimmetrico Superfici di flusso chiuse, di forma toroidale, annidate una dentro l altra Chiamiamo bordo del plasma la prima superficie che va a toccare la parete solida ( limiter ) sul Tokamak ASDEX è stato scoperto che il confinamento migliora ( modo H ) se si evita che le superfici chiuse tocchino la parete 24

25 Il divertore - 2 Questo si ottiene con una configurazione magnetica a divertore, nella quale: la superficie chiusa più esterna ( separatrice ) non tocca la parete le superfici al di fuori della separatrice sono aperte e le rispettive linee di campo sono intercettate dal divertore sulla sezione verticale si individua un punto a X in cui B θ = 0 25

26 Il divertore - 3 Per ottenere una configurazione di equilibrio a divertore è necessaria una specifica distribuzione delle correnti nelle bobine PF 26

27 Il divertore - 4 Vantaggi della configurazione a divertore il plasma è staccato dalla parete; migliora il confinamento la maggior parte del flusso termico (per convezione) è intercettata dal divertore anche il corrispondente flusso di particelle cariche è intercettato dal divertore: - le particelle sono neutralizzate nell urto con le piastre - in un reattore si può così estrarre il prodotto della reazione ( ceneri ): gas He 27