Come l Universo produce energia? Energia di legame nucleare

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2 R Cesario

3 Come l Universo produce energia? Energia di legame nucleare 3

4 L energia si produce da processi spontanei guidati dalle forze fondamentali della natura Forza elettromagnetica +q -q +Q +Q Forza gravitazionale Interazione nucleare forte Interazione nucleare debole p + 2 H n n p + p + NUCLEO! e DI TRIZIO e + 3 He NUCLEO DI C 4 He

5 La fusione nucleare nel sole Tutte le forze della natura sono necessarie per produrre ed irradiare l energia del sole Forza elettromagnetica +q -q +Q +Q Forza gravitazionale Interazione nucleare forte Interazione nucleare debole p + m n n 2 H p + p + NUCLEO! e DI TRIZIO e + 3 He M NUCLEO DI C 4 He

6 Perché l uomo non ha prodotto ancora la vera enegia nucleare? Energia di legame nucleare 6

7 Perché l uomo non ha prodotto ancora la vera enegia nucleare? L energia da fissione di nuclei pesanti non è vera energia nucleare Nella fissione nucleare si sprigiona energia che è soprattutto di tipo elettromagnetico Reazione di fissione del nucleo Contributo dell interazione nucleare forte E = E em +E if E em Z 2 >>E if E em Δmc 2

8 Per fondere, i nuclei devono vincere la forza coulombiana, repulsiva tra nuclei positivi e che agisce fino a lunghe distanze, ed innescare l effetto attrattivo della forza nucleare forte che agisce solo a distanze molto piccole (10-13 cm) D + T + Per superare la barriera coulombiana devo riscaldare il combustibile fino a o K ( milioni di gradi)

9 Di quali forze abbiamo bisogno per la fusione? Alta densità di materia Alta temperature Alto isolamento termico del sistema R Cesario

10 Confinamento magnetico del plasma ELETTRONE Campo Magnetico IONE Campo Magnetico R Cesario

11 Fusione termonucleare: Principio R Cesario

12 Fusione termonucleare: Principio R Cesario

13 Fusione termonucleare: Principio Campo Magnetico Toroidale R Cesario

14 R Cesario Il Tokamak

15 Il Tokamak Corrente indotta dal trasformatore R Cesario

16 Il Tokamak B P B T Campo Magnetico poloidale Campo Magnetico toroidale R Cesario

17 Joint European Torus (JET) Il Tokamak R Cesario

18 Il Tokamak Riscaldamento ausiliario con fasci di ioni R Cesario

19 La potenza dei sistemi RF sono dell ordine di alcuni MW. Il Tokamak Le frequenze: Sistemi ion-cyclotron resonant heating (ICRH): MHz ( 10 MW) Sistemi LH 3.7 GHz - 8 GHz ( 3 MW) Sistemi electron-cyclotron resonant heating (ICRH) 100 GHz GHz ( 2 MW) Riscaldamento ausiliario con RF R Cesario

20 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma Tokamak Sezione trasversale del plasma R Cesario

21 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma La perdita di calore dal centro del plasma non avviene prevalentemente per diffusione ma per Sezione trasversale del plasma R Cesario - SIF Catania onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare

22 L equazione del moto per un fluido di cariche per una particella carica m dv dt = q [ E + v " B ] per un elemento di fluido carico du x,t mn ( ) dt = qn[ E + u( x,t) " B] u = velocità media in un elemento fluido n = densità del plasma R Cesario

23 L equazione del moto per un fluido di cariche Campo di velocità v x per un elemento di fluido carico du x,t mn ( ) dt = qn[ E + u( x,t) " B] du( x,t) dt = "u x "t + "u x "x "x "t +...comp. y,z # mn!u $!t + ( u ")u % & = qn[ E + u ( x,t ) ' B ] R Cesario

24 Turbolenza in un fluido riscaldato x Temperatura: T " T (x,t)!t = 0 dt dt =!T!t + u "T dt dt " #T #t su breve tempo $ 0

25 Turbolenza in un fluido riscaldato x Temperatura: T " T (x,t) *!T dt[ x( t),t] dt =!T!t + u "T dt dt! u "T su breve tempo L elemento fluido si scalda per il fatto di spostarsi nel campo di temperatura (t= costante), più che per il fatto di trovarsi in una data posizione (significato del termine convettivo)

26 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma La perdita di calore dal centro del plasma non avviene prevalentemente per diffusione Sezione trasversale del plasma R Cesario - SIF Catania onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare

27 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma La perdita di calore dal centro del plasma non avviene prevalentemente per diffusione, ma per ma per trasporto da turbolenza Sezione trasversale del plasma R Cesario - SIF Catania onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare

28 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma Un massimo relativo di densità di corrente di plasma può rompere i vortici ed inibire la loro capacità di raffreddare le regioni interne del plasma 10 Profilo di densita di corrente sostenuta dalla pressione di plasma Dens. Corr. (10 5 A/m 2 ) 0 0 J NB J BS 6 Dens. Corr. (10 5 A/m 2 ) J OHM 0 0 j j LH J BS r/a 1 r/a 1

29 Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma Il traguardo di sopprimere la turbolenza è cruciale per accendere il plasma 10 Profilo di densita di corrente prodotta da onde a radiofrequenza di tipo longitudinale( elettrostatiche) LH (lower hybrid) Dens. Corr. (10 5 A/m 2 ) 0 0 J NB j?? LH J J OHM BS r/a j TOT 1

30 I problemi caldi della ricerca sulla fusione nucleare (affrontati con l aiuto di Roma3) Il problema della generazione di corrente con le onde lower hybrid: Quale meccanismo genera corrente dalle onde? R Cesario

31 Interazione onda LH - elettroni Propagazione dell onda E y x,"n z, B 0

32 Interazione onda LH - elettroni f e (a.u.) Propagazione dell onda 0 v //e /v Te y E x,"n z, B 0

33 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) f e (a.u.) Propagazione dell onda 0 v //e /v Te Perché si produca corrente significativa è necessario che lo spettro della potenza RF abbia velocità di fase (in direzione parallela al campo magnetico di confinamento) sufficientemente lenta in modo risuonare (surfing) con una coda della funzione di distribuzione degli elettroni, cioè tale che v //Φ 2.5v Te 4v Te corrispondente a n // =c/v // Φ R Cesario

34 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) f e (a.u.) Propagazione dell onda 0 v //e /v Te P RF (a.u.) 1 0 Power spectrum launched by the antenna 4 ma negli esperimenti lo spettro d antenna lancia solo onde più veloci, con n // 2! n // k // c /ω 0

35 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) L enigma : cosa produce l allargamento spettrale che causa le correnti generate negli esperimenti Solo correnti di plasma molto piccole sarebbero prodotte se nel plasma operasse il solo spettro del lanciatore! f e (a.u.) a.u. x v //e /v Te P RF (a.u.) 1 0 Power spectrum launched by the antenna Indice di rifrazione in direzione // al campo magnatico n // k // c /ω 0

36 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) L enigma : cosa produce l allargamento spettrale che causa le correnti generate negli esperimenti La generazione di corrente non può avvenire solo se si produce un allargamento dello spettro lanciato dall antenna! f e (a.u.) 0 v //e /v Te D ql (a.u) Cofficiente di diffusione quasilineare P RF (a.u.) v //e /v Te Power spectrum launched by the antenna n // k // c /ω 0 Indice di rifrazione in direzione // al campo magnatico

37 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) Cosa produce l allargamento dello spettro lanciato? Ruolo del mode coupling al bordo plasma Le onde LH sono onde elettrostatiche (k//e) Sistema oscillante di paricelle (ω 0,k 0 ) immerso nel fondo delle fluttuazioni di densita Non si puo trascurare l accoppiamento non lineare di modo Si trova che un allargamento spettrale importante per la generazione di corrente viene prodotto per fisica del plasma di bordo Modello dell instabilità parametrica

38 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) Cosa produce l allargamento dello spettro lanciato? Ruolo del mode coupling al bordo plasma Le onde LH sono onde elettrostatiche (k//e) Sistema oscillante di paricelle (ω 0,k 0 ) immerso nel fondo delle fluttuazioni di densita Non si puo trascurare l accoppiamento non lineare di modo Si trova che un allargamento spettrale importante per la generazione di corrente viene prodotto per fisica del plasma di bordo Modello dell instabilità parametrica

39 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) Cosa produce l allargamento dello spettro lanciato? Ruolo del mode coupling al bordo plasma Le onde LH sono onde elettrostatiche (k//e) Sistema oscillante di paricelle (ω 0,k 0 ) immerso nel fondo delle fluttuazioni di densita Non si puo trascurare l accoppiamento non lineare di modo Si trova che un allargamento spettrale importante per la generazione di corrente viene prodotto per fisica del plasma di bordo Modello dell instabilità parametrica

40 Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) Cosa produce l allargamento dello spettro lanciato? Ruolo del mode coupling al bordo plasma Le onde LH sono onde elettrostatiche (k//e) Sistema oscillante di paricelle (ω 0,k 0 ) immerso nel fondo delle fluttuazioni di densita Non si puo trascurare l accoppiamento non lineare di modo Si trova che un allargamento spettrale importante per la generazione di corrente viene prodotto per fisica del plasma di bordo Si sviluppa l instabilità L instabilità parametrica produce un allargamento in frequenza ed in n // dello spettro lanciato

41 L allargamento spettrale necessario per giustificare la generazione di corrente guidata dalle onde LH negli esperimenti è dovuta all effetto dell instabilià parametrica prodotta nel plasma di bordo FT results 1985 POWER Power (db) Evidenza di forti instabilità parametriche in esperimenti LH ad elevate densità Spettri in frequenza dei probe RF 0 Δf 20MHz FREQUENCY (MHz) POWER Power (db) FREQUENCY (MHz)

42 Interpretazione e progetto di esperimenti utili per ITER (Ignition Thermonuclear Experiment Reactor) effettuati sul JET (Joint European Torus) JET shot B T = 2.6 T o I P (MA) T e (kev) 8 Produzione di una ampia barriera di trasporto grazie alla potenza a microonde LH 10 0 Power (MW) NBI ICRH LH Time (s) L impiego di potenza LH consente di prolungare la condizione di buon confinamento di un ampia regione di plasma T e (kev) T e profiles R (m) r/a

43 Conclusioni Generare corrente non induttiva nel tokamak con potenza a radiofrequenza è essenziale per: Controllare il profilo di corrente Migliorare l isolamento e la stabilita del plasma Consentire di operare in regime stazionario, cosa essensiale per un futuro reattore a fusione nucleare basato sul concetto tokamak Possiamo sviluppare modelli utili a progettare esperimenti miranti ad ottenere grandi volumi di plasma necessari per la fusione La ricerca sull energia da fusione implica il superamento di una barriera conoscitiva (oltre che energetica): fondere un plasma utilizzando la sola forza elettromagnetica controllore gli effetti della turbolenza nel fluido R Cesario

44 Prossima visita ai laboratori Come confinare un plasma fusionistico: il tokamak Sistemi di riscaldamento e generazione di corrente nel plasma utilizzanti potenza a radiofrequenza (MW) R Cesario