il CNR: il più grande ente pubblico italiano di ricerca Fondato nel 1923 (novantesimo compleanno nel 2013)

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1 IFP-CNR, Open Day, 25 Marzo 2013

2 il CNR: il più grande ente pubblico italiano di ricerca Fondato nel 1923 (novantesimo compleanno nel 2013) Circa 8000 unità di personale (60% ricercatori) ricercatori associati esterni Sede a Roma 107 Istituti distribuiti sul territorio nazionale 7 Dipartimenti ente multidisciplinari

3 l Istituto di Fisica del Plasma P. Caldirola Fondato nel 1976 Dal 1983 l IFP partecipa all Associazione EURATOM- ENEA sulla Fusione come Unità di Ricerca assieme a ENEA-Frascati ed RFX-Padova 22 Ricercatori staff 7 Ricercatori a contratto 10 Ricercatori esterni associati

4 La Fusione in EU Milano IFP-CNR Padova RFX ITER F4E-Barcellona Frascati ENEA

5 La fusione nucleare - È una reazione nucleare in cui due nuclei di elementi leggeri (es., 2 H e 3 H) si uniscono, ovvero si fondono in un unico nucleo ( 4 He) (*) - È alla base della formazione dei nuclei degli elementi più pesanti - La reazione è accompagnata da rilascio di energia ΔE = Δm c 2 * 10 6 volte l energia rilasciata in una reazione chimica di combustione un reattore da 1 GW userebbe 1 kg/g di D+T, un impianto a carbone ton di carbone

6 Sezioni d urto e tasso di reazione - la reazione più probabile a temperature più basse è la D+T - si possono ottenere reazioni di fusione D+T a kev sezione d urto (m 2 ) σ( v-v ) distribuzione dei reagenti energia relativa (kev) energia 1 ev C

7 Le reazioni di fusione in laboratorio D + T 4 He (3.52 MeV) + n (14.1 MeV) T kev D + D 50 % 50 % 3 He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) T kev T (1.01 MeV) + p (3.03 MeV) reazioni senza neutroni! D + 3 He 4 He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) T 100 kev 11 B + p 3 4 He (8.7 MeV) T 200 kev 1 ev C

8 La produzione di Tritio nella DT - il T è un isotopo radioattivo di H con τ 1/2 12 anni, quindi non si trova in natura - può essere prodotto direttamente in un ciclo chiuso del reattore: n + 6 Li 4 He + T n + 7 Li 4 He + T + n - oppure reperito, in quantità limitata, tra i prodotti di reazione di alcuni reattori a fissione (CANDU)

9 Schema di reattore a fusione D + T! n + 4 He MeV " # 4.8 MeV + 4 He + T $ n + 6 Li

10 cosa è un plasma? L ambiente più idoneo per produrre reazioni di fusione è un plasma - plasma è lo stato della materia caratterizzato da un elevato grado di ionizzazione ma complessivamemente neutro - pertanto gli atomi sono prevalentemente scissi in elettroni, carichi negativamente, e ioni positivi - nella dinamica del sistema dominano le interazioni con i campi elettrici e magnetici, sia quelli applicati dall esterno sia quelli prodotti dalle cariche in moto m p m e "1836

11 N >> 1 - sistema di N particelle cariche (elettroni, ioni, ) mutuamente interagenti - l interazione, che avviene attraverso i campi elettrici e magnetici, è a lungo raggio, a differenza di quanto avviene in un gas ordinario (urti per contatto tra palle da biliardo) effetti collettivi urto tra due atomi in un gas neutro interazione simultanea tra particelle cariche in un plasma

12 Effetti collettivi nei plasmi - la dinamica di un plasma è dominata dai cosiddetti effetti collettivi : ossia stati di equilibrio o moti del gas che esistono solo se N >> 1 e non sono presenti se N è poche unità - moti collettivi si manifestano sotto forma di onde ed oscillazioni di densità di carica che esistono solo in un plasma e non in un fluido convenzionale - in situazioni particolari tali oscillazioni possono diventare instabili e crescere in ampiezza in maniera incontrollata, distruggendo l equilibrio

13 Plasmi in natura: 99.99% della materia visibile dell'universo Plasmi in laboratorio: applicazioni varie, fusione

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15 perché la fusione in un plasma? - per fondersi i due nuclei di H (D e T) devono superare la forza repulsiva di Coulomb - a questo scopo i due ioni devono collidere a gran velocità - ciò si può realizzare in un gas ad alta temperatura sfruttando le elevate velocità dei suoi costituenti ossia gli ioni di un plasma!

16 - che una gran quantità di energia possa essere prodotta dalle reazioni di fusione è un fatto ben noto - accade all interno delle stelle e nelle esplosioni termonucleari - tuttavia noi vogliamo controllare il processo per ricavarne energia a scopi civili e pacifici

17 condizioni da realizzare - un plasma sufficientemente denso (n m -3 ) deve essere confinato in una regione di spazio ben definita evitando il contatto del gas con le pareti del contenitore - il plasma deve essere riscaldato a temperature molto elevate, dell ordine di diverse centinaia di milioni di K - il plasma deve essere isolato termicamente dall esterno - il plasma, cosí confinato, deve essere controllato da un operatore e l energia, che viene prodotta dalle reazioni di fusione, deve essere raccolta e trasformata in energia elettrica

18 Come realizzare le condizioni di combustione termonucleare in maniera controllata? confinamento inerziale Fascio di radiazione powerful laser or ion beam converge on the target ( mm) Riscaldamento: un impulso di radiazione (luce, raggi X, particelle veloci) riscalda la superficie del bersaglio (R=2-3 mm) Ablazione superficiale surface ablation Compressione: La rapida espansione del plasma prodotto in supeficie provoca per reazione la compressione del combustibile Flusso di energia termica verso l interno thermal energy flux inward heating phase compression ignition burn Ignizione: Quando la parte centrale del combustibile ha raggiunto 20 volte la densita del Pb a 10 8 K, hanno luogo le reazioni termonucleari Combustione: La combustione t.n. si espande rapidamente e coinvolge tutto il combustibile compresso rilasciando molta piu energia di quanta ne sia stata spesa confinamento magnetico (il tokamak)

19 Effetto di un campo magnetico senza campo magnetico con campo magnetico - particelle cariche in un campo magnetico spiraleggiano attorno alle linee di forza del campo - il loro moto attraverso le linee di campo magnetico è impedito! c! n T 3/2 - è il principio del confinamento magnetico Collisioni! f L qb/m r L v/f 2 H, T = 10 kev, B = 5 T r Li = 0.14 cm r Le = cm

20 Confinamento magnetico

21 Confinamento magnetico

22 Confinamento magnetico campo magnetico toroidale!

23 Confinamento magnetico Le correnti indotte nel plasma lo scaldano (per effetto Joule) e generano il campo magnetico poloidale

24 Confinamento magnetico Il tokamak B P B T Campo! magnetico poloidale! Campo! Magnetico toroidale!

25 Le superfici magnetiche

26 Il tokamak il tokamak inventato nel 1958 da Artsimovich (URSS) il tokamak si comporta come un trasformatore, in cui la spira di plasma è il circuito secondario non stazionario plasma tenue ad altissima temperatura

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28 per scaldare il plasma a T > 100 milioni ºC possiamo: - sfruttare l effetto Joule (non efficace oltre 1 kev) - iniettare fasci di atomi ad alta energia (dell ordine di 100 kev - 1 MeV) Km/s - iniettare radiazione elettromagnetica ad alta potenza (con frequenze nell intervallo 100 MHz GHz) luce visibile THz (1 THz = Hertz)

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30 Il tokamak più grande: JET 15 m 6 m Abingdon, UK

31 Una scarica tokamak: il JET

32 Progresso nella fusione triplo prodotto ( ) n i " E T i #10 20 m $3 % s% kev 1eV = K 1keV! 11milioni K temperatura degli ioni T i kev ( )

33 Potenza da fusione prodotta Q =10.7 / 39.5 = 0.27 TFTR,1994 ( ) Q = P fus P aux Q =16 / 22 = 0.7 JET,1997 ( ) obiettivi futuri Q = 5 " 10 ITER ( ) Q = 50 DEMO,reattore ( )

34 Il passo successivo : ITER 30 m 30 m in costruzione a Cadarache, Provenza sperimentazione

35 Fisica: Obiettivi di progetto di ITER ITER è progettato per produrre un plasma dominato dal riscaldamento delle particelle α (P α > P aux ) per produrre un valore significativo del fattore di amplificazione di potenza (Q 10) in operazioni con impulso lungo (400 s) per raggiungere un regime di operazione tokamak stazionario (Q = 5) non si esclude la possibilità di accedere a regimi di ignizione controllata (Q 30) Tecnologie: dimostrare l operazione integrata di diverse tecnologie richiesta da un impianto di potenza a fusione eseguire test su componenti necessari in un reattore a fusione eseguire test su diversi tipi di moduli tritiogeni

36 Il passo successivo : ITER Diametro Volume Potenza di fusione Corrente di plasma ~ 4 MA ~ 15 MA

37 Valore del progetto: ca 15 G 5/11 il Paese che ospita ITER (Unione Europea) 1/11 ciascuno degli altri partner

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39 Il prototipo di reattore a fusione: DEMO L obiettivo a lungo termine del programma fusione: - Previsto l inizio della costruzione nel 2030: > diametro 17 m > potenza di fusione GW - Energia elettrica da un reattore commerciale nel 2050 ca

40 La sicurezza Un reattore a fissione - è come una batteria elettrica: viene caricato per funzionare per anni Un reattore a fusione - è come una caldaia: senza un continuo rifornimento di combustibile si spegne

41 Un reattore intrinsecamente sicuro - I prodotti delle reazioni sono elementi stabili ( 4 He), mentre quelli delle reazioni di fissione sono radioattivi - I materiali attivati possono essere riutilizzati dopo ca 100 anni dopo la dismissione; le scorie dei reattori a fissione decadono su diverse migliaia di anni (fino ad un milione di anni) - Un reattore a fusione non porta a proliferazione - In un reattore a fusione non sono possibili reazioni incontrollate

42 Partecipazione italiana al programma fusione - partecipazione alla costruzione di ITER e alle attività internazionali bilaterali EU-JA (Broader Approach ) - realizzazione dell impianto di prova per il sistema di Iniezione di Particelle Neutre (NBI) per ITER RFX-PD - partecipazione alla costruzione di componenti complessi dell impianto ECRH per il riscaldamento RF del plasma di ITER IFP-MI - sviluppo di diagnostiche del plasma t.n. IFP-MI - partecipazione alle attività di R&S per il reattore DEMO - svolgimento di un intenso progr. di accompagnamento - proposta di costruzione di un nuovo tokamak europeo FAST/DTT (It.)

43 Il ruolo di formazione/training - Altissima priorità nel programma europeo - Garantire l attuale livello nella ricerca 2500 FTE / 4000 ricercatori - Nell industria 5000 Professionals per ITER / Pr. per DEMO 200 Professionals / anno nel sistema T ~10-15 millions ºK T ~ millions ºK km 1 m

44 Link sulla fusione IFP-CNR, Milano sito ufficiale ITER FIRE U.S.A. ENEA fusion ENEA Frascati EFDA EFDA-JET Fusion for Energy Sites with plasma links