R Cesario
Come l Universo produce energia? Energia di legame nucleare 3
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
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
Perché l uomo non ha prodotto ancora la vera enegia nucleare? Energia di legame nucleare 6
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
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 10 7 10 8 o K (10 100 milioni di gradi)
Di quali forze abbiamo bisogno per la fusione? Alta densità di materia Alta temperature Alto isolamento termico del sistema R Cesario
Confinamento magnetico del plasma ELETTRONE Campo Magnetico IONE Campo Magnetico R Cesario
Fusione termonucleare: Principio R Cesario
Fusione termonucleare: Principio R Cesario
Fusione termonucleare: Principio Campo Magnetico Toroidale R Cesario
R Cesario Il Tokamak
Il Tokamak Corrente indotta dal trasformatore R Cesario
Il Tokamak B P B T Campo Magnetico poloidale Campo Magnetico toroidale R Cesario
Joint European Torus (JET) Il Tokamak R Cesario
Il Tokamak Riscaldamento ausiliario con fasci di ioni R Cesario
La potenza dei sistemi RF sono dell ordine di alcuni MW. Il Tokamak Le frequenze: Sistemi ion-cyclotron resonant heating (ICRH): 50-100 MHz ( 10 MW) Sistemi LH 3.7 GHz - 8 GHz ( 3 MW) Sistemi electron-cyclotron resonant heating (ICRH) 100 GHz - 200 GHz ( 2 MW) Riscaldamento ausiliario con RF R Cesario
Il Problema: l insufficiente isolamento termico del plasma Tokamak Sezione trasversale del plasma R Cesario
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 2005 - onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare
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
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
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
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)
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 2005 - onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare
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 2005 - onde e correnti in plasmi per la fusione termonucleare
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
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
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
Interazione onda LH - elettroni Propagazione dell onda E y x,"n z, B 0
Interazione onda LH - elettroni 0.003 f e (a.u.) Propagazione dell onda 0 v //e /v Te y E x,"n z, B 0
Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) 0.003 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 // 2.5-4 Φ R Cesario
Generazione di corrente non induttiva in un tokamak con onde di lower hybrid (LH) 0.003 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! 3 2 1 n // k // c /ω 0
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! 0.003 0 f e (a.u.) a.u. x 10-3 2 4 6 8 10 v //e /v Te P RF (a.u.) 1 0 Power spectrum launched by the antenna Indice di rifrazione in direzione // al campo magnatico 4 3 2 1 n // k // c /ω 0
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! 0.003 f e (a.u.) 0 v //e /v Te 2 4 6 8 10 D ql (a.u) Cofficiente di diffusione quasilineare P RF (a.u.) 1 0 2 4 6 8 10 v //e /v Te Power spectrum launched by the antenna 4 3 2 1 n // k // c /ω 0 Indice di rifrazione in direzione // al campo magnatico
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
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
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
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
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) -20-40 -40-60 -60 Evidenza di forti instabilità parametriche in esperimenti LH ad elevate densità Spettri in frequenza dei probe RF 0 Δf 20MHz 0 1600 1800 2000 2200 2400 2800 FREQUENCY (MHz) POWER Power (db) 0-20 -30-40 -30 2430 2450 2470 FREQUENCY (MHz)
Interpretazione e progetto di esperimenti utili per ITER (Ignition Thermonuclear Experiment Reactor) effettuati sul JET (Joint European Torus) JET shot 51490 B T = 2.6 T o -1-2 8 4 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 40 42 44 46 Time (s) L impiego di potenza LH consente di prolungare la condizione di buon confinamento di un ampia regione di plasma T e (kev) 6 4 2 3.0 T e profiles 3.2 3.4 R (m) r/a 0.65 3.6 3.8
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
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