LA FUSIONE NUCLEARE IN ITALIA ED IN EUROPA IL RUOLO DELL ENEA. Aldo Pizzuto, ENEA Direttore Unità Tecnica Fusione

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1 LA FUSIONE NUCLEARE IN ITALIA ED IN EUROPA IL RUOLO DELL ENEA Aldo Pizzuto, ENEA Direttore Unità Tecnica Fusione Seminario sulla Fusione Ordine degli Ingegneri di Roma Frascati

2 La reazione di Fusione D + T n + 4 He MeV 4.8 MeV + 4 He + T n + 6 Li Schema Confinamento Magnetico

3 L Energia da Fusione Nella reazione di fissione il rilascio di energia è minore di 1 MeV per Nucleone Nella reazione di fusione D-T, il rilascio di energia è circa 3.5 MeV per Nucleone Nei combustibili fossili è inferiore a 1 ev per Nucleone! Trizio necessario ~50 kg T / GWth / y (~150 gt/gwth/day) Il trizio deve essere prodotto nel reattore

4 Principali parametri Plasma: plasma current, I a 2 B/Rq plasma power density n 2 <σv> n 2 T 2 2 B 4 ; n plasma confinement time IR 2 H 98 ; advanced scenario/hybrid scenario plasma density (n gw, density limit) n/n gw B/Rq bootstrap current, I bs ; f bs = I bs /I N (R/a) 1/2 current drive power, P cd nr(i-i bs )/ CD ; CD, current drive efficiency

5 Problemi scientifici Controllare grandi volumi di plasma per tempi lunghi o in continua. Massimizzare il valore di = Pressione del plasma Pressione magnetica Infatti potenza di fusione ß 2 xb 4 xvolume (B Campo Magnetico) Riscaldare il plasma alle temperature necessarie ( 10 20keV; 1keV 10 7 K) Ottenere tempi di confinamento dell ordine del secondo nei regimi di interesse per il reattore Criterio di Lawson

6 Confinamento: ELM Th I 0.93 p B 0.15 T P 0.69 n R k 0.78 ITER E ~I P R 2 JET Cross section of present EU D-shape tokamaks compared to the ITER project

7 Gli esperimenti attuali e quelli previsti n T i [10 20 KeV m 3 s] Temperature [KeV] at Ti ~Te ITER JET (DT) JET JT 60U JT 60SA Tore Supra AUG EAST KSTAR D III D FTU C Mod TEXTOR HL 2a TCV SST 1 HT 7 NSTX COMPASS MAST FAST ST CTF

8 LA FUSIONE: una storia di successo Prof. Donato Palumbo L inizio del programma: una grande intuizione Experimental Physics Grazie all intuizione e lungimiranza del Prof. D. Palumbo nasce il programma fusione Euratom che rimpegnerà tutti I Paesi dell Unione europea e la Svizzera L Italia neèsubitoparteconl ENEA esuccessivamenteconcnr, Consorzio RFX, Consorzio CREATE e le più pretigiose Università JET ITER Progressi scientifici Dai primi studi sui Plasmi alle conoscenze integrate che fanno della fusione una concreta opzione per una fonte di energia sicura inesauribile e rispettosa dell ambiente Opportunità per le imprese La realizzazione di esperienti comejet,fteftu,asdex,tore Supra, W 7X e il programma tecnologico di ITER, una grande opporotunità per l industria: sviluppare know how sulla fusione una comunità scientifica di eccellenza La fusione ha attratto risorse tra le migliori. La collaborazione tra ricerca indutria università per la formazione e il training ne ha sancito l eccellenza. Oggi oltre oltre 2000 in Europa gli scienziati e I tecnici imegnati nel programma.

9 La Fusione è strategica per il mondo intero perché fonte sostenibile ideale Bn TOE Projected Share of Renewables on Total Power Generation Billion Tons of Oil Equivalent, Total inputs to Power Generation Total Renewables Production +45% 2 12% 14% 1 8% 1% 5% La Fusione Sorgente ideale di Energia I consumi elettrici costituiscono almeno il 50% della domanda di energia Le Rinnovabii sono intrinsecamente limitate da: Possibilità di regolare la potenza a seconda del fabbisogno (storage) Prossimità dove l energia è richiesta (trasporto) Economicità legata a sovvenzioni Imperativo utilizzare fonti alternative e sostenibili carbon free La Fusione può essere la risposta Combustibile abbondante (mare, crosta terrestre) Source: BP Energy Outlook 2035 (2014) Zero emissioni, cenere Elio.

10 La Fusione: il programma che integra capacità e promuove il coordinamento tra Ricerca Industria Formazione INTEGRAZIONE TRA GLI STAKEHOLDERS Il sistema fusione Ricerca di Fisica Tecnologia Ingegneria Conoscenza Know how integrazione 4 Cooperazione con l Industria Trasferimento di Know How Programmi congiunti di R&S Innovazione del prodotto 5 Formazione & Training PhD, Master, Tesi Programmi congiunti di R&S con Università INTEGRAZIONE: DAL CONCETTO AL PRODOTTO ATTRAVERSO R&S E DIMOSTRATORI

11 la fusione in in Europa La ricerca, destinata alla realizzazione dell energia da fusione, fa oggi parte del programma Horizon 2020 EURATOM, attuato da EUROfusion. ENEA è il coordinatore del contributo italiano che vede impegnati: -CNR -INFN -Consorzio RFX -Molte Università In totale 600 tra ricercatori e tecnici Nel programma Euratom tutti i paesi EU più la Confederazione Svizzera

12 Schema Nuova Struttura in Horizon 2020 Decision Information Monitoring Advice

13 e nel mondo: ITER, una impresa senza precedenti European Domestic Agency for ITER: Fusion for Energy (F4E) (Barcelona, Spain) Site: Cadarache (France) LA FUSIONE NUCLEARE: STATO E PROSPETTIVE

14 ITER: un impresa senza precedenti, in Europa grazie al programma fusione ITER, PIETRA MILIARE NEL CAMMINO VERSO L ENERGIA DA FUSIONE: impegna 7 tra i paesi più industrializzati: UE, Cina, Corea, Giappone, India, Russia, Stati Uniti Dimostrerà: un guadagno di un fattore 10 dell energia immessa molte delle tecnologie necessarie per il reattore la sicurezza di questa fonte di energia

15 ITER, ma non solo Il Broader Approach, un accordo di collaborazione UE Giappone: JT60 SA, macchina superconduttiva IFMIF, deuteroni da 40 MeV su litio liquido La Neutral Beam test Facility PRIMA a Padova, prototipo da 16 MW Il Consorzio europeo che deve attuare la Road Map Euratom di Horizon 2020: l impegno di 29 Paesi in supporto a ITER e per rendere possibile DEMO

16 Bilancio di potenza in un reattore V V Blanket gain Pfus P aux RadioFrequenza Plasma Pth=Paux+ Pα(20%Pfus) FW Radiation PTh Neutron 0.8 Pfus TFC Iniettori di neutri Divertor P fus

17 Carichi termici sul divertore plasma Carichi termici di molte decine di MW/m 2 : P heat =P fus (1/5+1/Q) q div =(P heat P rad )/(4πR 0 λf) F=10 (caso ottimistico) λ = 0.003R Carichi termici conduttivi di 20 MW/m2

18 Principali condizioni operative ITER DEMO Reactor Fusion Power 0.5 GW GW 3-4 GW Heat Flux (First Wall) MW/m MW/m MW/m 2 Neutron Wall Load (First Wall) 0.78 MW/m 2 < 2 MW/m 2 ~2 MW/m 2 Integrated wall load (First Wall) 0.07 MW/m 2 (3 yrs inductive operation) MW.year/m 2 MW.year/m 2 Displacement per atom <3 dpa dpa dpa Transmutation product rates (First Wall) ~10 appm He/dpa ~45 appm H/dpa ~10 appm He/dpa ~45 appm H/dpa

19 Configurazioni innovative Snow flakes Super X

20 Tokamak Radial build Blanket Shield Vacuum vessel Radiation Plasma Neutrons First Wall Tritium breeding zone Coolant for energy conversion Magnets

21 Tritium Breeding Li-6(n,alpha)t and Li-7(n,n,alpha)t Cross-Section Li (n, ) t Li-6(n,a) t Li-7(n,na)t Il Litio naturale contiene 7.42% 6 Li e 92.58% 7 Li Li n t 4.78MeV 1 7 Li n t n 2.47MeV Li (n;n ) t La reazione 7 Li(n;n )t è a soglia per n di energia >2.8 MeV Neutron Energy (ev)

22 Neutron Multipliers The neutron multiplier are: 208 Pb (n,2n) threshold 7.4 MeV 9 Be (n,2n) threshold 2.5 MeV 208 Pb (n,2n) 9 Be (n,2n)

23 Il Breeder Blanket

24 I Materiali di Interesse Fusionistico Materiali strutturali (a bassa attivazione: Metallici (acciai 9%CrWVTa, ODS) Ceramici compositi (SiC f /SiC) Materiali Funzionali: Breeder ceramici e metallici (liquidi) Protezione componenti affacciati al plasma

25 Progressi nello sviluppo dei materiali metallici