INDICE Perchè Sviluppare la Fusione Nucleare... Principali Fonti dell Energia Elettrica... Cos è la Fusione Nucleare... Deuterio e Trizio... Fusione Nucleare sulla Terra... La Fusione Inerziale... La Fusione a Confinamento Magnetico... 4 5 6 7 8 8 9 Tokamak... 10 JET... 11 ITER... 11 Stellarator... 14 RFP - Reversed Field Pinch... 15 Consorzio RFX... 15 Mitica e Spider... 16 Centrali a Fusione Nucleare... 17 Vantaggi e Svantaggi della Fusione... 18 Conclusioni e Ringraziamenti... 19 Sitologia... 20
Perchè sviluppare la Fusione Nucleare Lo sviluppo dell umanità non può avvenire senza risorse energetiche. Secondo molte stime, il consumo di energia a livello mondiale potrebbe raddoppiare o triplicare, rispetto al valore attuale, entro il 2050. Tutte le prospettive economiche mostrano che i bisogni energetici aumenteranno continuamente. L ampiezza di tali aumenti varia a seconda del tipo di scenario considerato (livello di crescita economica, messa in conto dei vincoli ambientali, ecc.) e principalmente dipende da due cause principali: l aumento della popolazione mondiale, che dovrebbe passare dai 6 miliardi del 2000 a 10 miliardi nel 2050 [1] e l aumento dei bisogni energetici dei paesi in via di sviluppo. ll consumo totale di energia nel mondo è di circa 14 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio (tep), dai dati del 2011 [1]. A seconda dello scenario considerato, esso sarà compreso tra 14 e 27 miliardi di tep nel 2050 e tra 18 e 45 miliardi di tep nel 2100 [1]. La crescita della domanda di elettricità sarà verosimilmente ancora superiore. La decarbonizzazione con necessaria diminuzione dell utilizzo dei combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) per ridurre l impatto ambientale e il difficile utilizzo delle fonti di energie rinnovabili (solare, eolica, ecc.) nella produzione di energia centralizzata, in grado di compensare i bisogni dei paesi a forte densità di popolazione o dei paesi con forti concentrazioni locali della popolazione, rendono indispensabili lo sviluppo e l utilizzo di altre fonti di energia, come l energia nucleare (sia da fissione, sia da fusione). PRODUZIONE CO2 e LIMITI ALL INCREMENTO DELLA TEMPERATURA
L evoluzione dei bisogni energetici ha portato (o porterà) all utilizzo di sorgenti energetiche che possano fornire una maggiore quantità di energia per unità di massa consumata (di sorgenti, cioè, con elevata densità energetica). Considerando come livello di riferimento (valore = 1) la densità di energia associata alle sorgenti fossili, la densità di energia associata alle sorgenti nucleari ha un valore (relativo) di 1 milione. Per le sorgenti rinnovabili tale valore relativo diviene 1 milionesimo. La differenza fondamentale tra sorgenti fossili e nucleari è la seguente: le prime si basano su reazioni chimiche che mettono in gioco fenomeni, come la combustione, che avvengono a livello degli elettroni degli atomi dei combustibili (petrolio, gas, carbone), mentre le seconde si basano su reazioni nucleari che mettono in gioco fenomeni, quali la fissione e la fusione che avvengono a livello dei nuclei degli atomi dei combustibili (uranio, deuterio, trizio). Principali fonti dell Energia Elettrica L energia elettrica rappresenta la forma di energia più pregiata per la società moderna. Essa però non è disponibile direttamente in natura ma viene ottenuta prevalentemente per conversione dell energia potenziale (chimica o cinetica) di fonti fossili o rinnovabili in energia meccanica, a sua volta trasformata in energia elettrica mediante gruppi turbo-generativi; diversamente, gli impianti fotovoltaici producono direttamente energia elettrica. Si tratta dunque di una forma di energia secondaria, che ha l enorme pregio di poter essere distribuita con facilità, nonché trasformata in altre forme di energia. Attualmente la maggior parte dell energia elettrica utilizzata nel mondo viene generata a partire da fonti primarie di origine fossile (petrolio, gas naturale, carbone). Il contributo da fonti nucleari è circa il 16% a livello mondiale e circa il 35% a livello europeo. La frazione di energia primaria convertita in elettrica per utenze civili e industriali è in continuo aumento. Parallelamente la riduzione dell impatto ambientale è una sfida prioritaria. Va pertanto sempre più aumentando la consapevolezza della necessità di riprendere ed incrementare la produzione di energia da fonti nucleari, principalmente da fissione nel breve-medio termine (50-100 anni) e da fusione nel medio-lungo termine (oltre i 50 anni).
Cos è la Fusione Nucleare È la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre stelle, producendo un enorme quantità d energia. La fusione nucleare è la reazione che avviene quando due nuclei, vincendo la forza elettromagnetica repulsiva (in quanto entrambi i nuclei sono positivi), riescono ad avvicinarsi a tal punto da reagire tramite la forza d interazione nucleare forte, fondendosi in un nucleo solo, più pesante ma di massa inferiore dei reagenti. Per sconfiggere la forza elettromagnetica repulsiva bisogna raggiungere temperature e pressioni molto alte. La differenza di massa che si crea durante la fusione, detto difetto di massa, si trasforma in energia secondo la relazione formulata da Albert Einstein: E = mc 2 E = l energia liberata durante il processo di fusione m = la massa perduta durante la reazione c = la velocità della luce Per la realizzazione di reattori a fusione, il primo problema è individuare reazioni la cui energia di soglia (minimo valore di energia cinetica che una coppia di particelle in movimento deve possedere quando esse collidono) si possa riprodurre in laboratorio, ciò significa raggiungere determinate condizioni di densità, di temperatura e di mantenerle per un tempo sufficiente, note come Criterio di Lawson. Di seguito si indicano alcune reazioni di fusione.
Reazioni a bassa energia di soglia: Deuterio Trizio, richiede un energia di soglia di circa 50 KeV o D + T = 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) Deuterio Deuterio, richiede un energia di soglia di circa 100 KeV Le due reazioni hanno la stessa probabilità di avvenire: o D + D = T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) o D + D = 3 He (0,82MeV) + n (2,45 MeV) Trizio Trizio, richiede un energia di soglia maggiore di 100 KeV o T - T = 4 He + 2 n (11,3 MeV) La reazione più studiata a livello internazionale è la reazione Deuterio Trizio, che è quella che ha un energia di attivazione minore. Lo svantaggio di questo processo è la produzione di neutroni ad un alto valore energetico (14.1 MeV). I neutroni essendo privi di carica non possono essere confinati dal campo magnetico, ma rappresentano la fonte per la produzione di calore alle pareti del futuro reattore, sfruttabile per la generazione di energia elettrica e per quella del Trizio da reazioni di cattura alle speciali pareti della macchina chiamate mantello o Blanket. Deuterio e Trizio Il Deuterio 2 H e il Trizio 3 H sono isotopi dell idrogeno. Il Deuterio è un isotopo stabile formato da un protone e un neutrone. Questo isotopo si può ricavare dall acqua del mare (~30 g/m 3 ). Il trizio è un isotopo radioattivo dell idrogeno (con tempi molto brevi di decadimento, pari a circa 12 anni) ed è formato da un protone e due neutroni. L isotopo del trizio non lo si trova in natura però lo si può facilmente ricavare nel reattore dal Litio che è presente nell acqua del mare e nella crosta terrestre (~0,2 g/m 3 ). n + Deuterio 2 H n + n Trizio 3 H
Fusione Nucleare sulla Terra La fusione nucleare sulla terra è molto più complicata da effettuare, siccome non si trovano le stesse condizioni che si hanno all interno delle stelle. Si stanno sviluppando due linee di ricerca: la Fusione Inerziale e la Fusione a Confinamento Magnetico. La Fusione a Confinamento Inerziale consiste nella compressione di una piccola sfera di qualche millimetro tramite l impiego di un grande numero di laser altamente energetici. Grazie ad un rapidissimo incremento della pressione e della temperatura, si fa espandere il guscio bersaglio della sferetta, il quale a sua volta, comprime e fa implodere il combustibile di deuterio e trizio contenuto all interno della sfera. Si crea dunque un hot-spot ad altissime condizioni di densità, pressione e temperatura che permette di vincere la barriera di Coulomb e di innescare così le reazioni di fusione. La Fusione Inerziale Metodo di innesco diretto Uno dei più grandi progetti in questo campo di ricerca si trova in California, presso il Lawrence Livermore National Laboratory. In questo laboratorio, ormai dal 1997, si lavora per la realizzazione di una delle più ambiziose strutture mai realizzate: il NIF, un infrastruttura in grado di generare 192 raggi laser, con la potenza di 2 milioni di Joule verso la sferetta di Deuterio e Trizio, forzandola a fondersi in Elio con la conseguente liberazione di energia e di un neutrone per ogni reazione atomica.
A ottobre del 2013 viene annunciato che, per la prima volta, viene raggiunto il punto di pareggio con la tecnica di fusione a confinamento inerziale e quindi l energia prodotta dalla fusione era pari a quella usata per alimentare i 192 laser che l hanno scatenata [2]. Tutto questo lavoro si pone come meta la realizzazione del progetto LIFE, che costituirà un primo prototipo di reattore commerciale a fusione. LIFE avrà 348 fasci laser in grado di realizzare il processo precedentemente spiegato al ritmo di 15 spari al secondo [3]. In Europa è invece in corso il progetto di HiPER, un reattore con le stesse finalità di LIFE, ma che mira a costi più contenuti e a una maggiore flessibilità per l impiego in studi di fisica di base e applicata. A questo progetto stanno partecipando, oltre a 10 stati europei, anche USA, Canada, Corea del Sud, Giappone e Cina. La fase preparatoria è stata completata nel 2011; è prevista una fase di definizione di 2 anni ed una fase di completamento prevista per l anno 2020 [4]. La Fusione a Confinamento Magnetico L altro metodo che si sta studiando per confinare il plasma, alla temperatura di centinaia di milioni di gradi, è quello del confinamento magnetico. Questo metodo si avvale degli studi di magnetofluidodinamica per riuscire a confinare nel vuoto il plasma che quando tocca le pareti fa sublimare i materiali. Esistono tre linee di ricerca sul confinamento magnetico, che si differenziano per come ottengono la forma elicoidale del campo magnetico.
Tokamak Tokamak è stata la prima configurazione magnetica sviluppata dagli scienziati russi durante gli Anni 50, quando fu scoperta la possibilità di poter sviluppare la fusione termonucleare come nuova fonte energetica. La forma elicoidale del campo viene ottenuta con due campi magnetici prodotti dall esterno: toroidale con avvolgimenti disposti su piani poloidali intorno alla camera da vuoto, e poloidale prodotto da avvolgimenti che si sviluppano toroidalmente. Inoltre, la corrente di plasma produce un ulteriore componente del campo magnetico. Tokamak è stata la configurazione magnetica che ha avuto più successo fino ad ora, infatti gli esperimenti più importanti al mondo sono basati sullo studio della fusione attraverso questa configurazione [JET-ITER]. Uno di questi esperimenti si trova proprio in Italia, nei laboratori di Frascati dell ENEA. Si tratta di FTU (Frascati Tokamak Upgrade), un Tokamak di medie dimensioni, sprovvisto di un divertore, ma in grado di generare un campo magnetico notevole, pari a circa 80.000 Gauss. UN PO DI STORIA Andrei Sakharov e Igor Tamm furono i primi, nel 1950, ad incominciare a studiare la fattibilità di un macchinario simile; successivamente, nel 51 Stalin diede ufficialmente il via alla ricerca nel campo della fusione nucleare controllata. Il resto del mondo restò all oscuro di questi studi sino alla Conferenza Internazionale sull uso Pacifico dell Energia Atomica che si tenne a Ginevra nel 1955 e solo alla seconda conferenza di Ginevra, nel 1958, venne illustrato come costruire un Tokamak.
Un altra importante infrastruttura situata in Gran Bretagna è quella di JET (Joint European Torus), un imponente progetto a livello europeo guidato dall EFDA (European Fusion Development Agreement, Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione), che ha portato alla realizzazione del più grande Tokamak mai costruito al mondo. Nel 1997 JET è riuscito a dimostrare la fattibilità di un Tokamak, producendo circa il 65% dell energia immessa nel sistema: un traguardo ancora lontano dal raggiungimento del breakeven, ma che ha posto le basi per i più ambiziosi progetti del futuro [5]. ITER è il progetto più ambizioso a livello internazionale che si stia sviluppando. Un Tokamak di dimensioni notevolmente maggiori di quelle di JET, la cui costruzione, a Cadarache, nel sud della Francia, fu approvata il 21 novembre del 2006. A questo immenso progetto da circa 20 miliardi di euro partecipano Unione Europea, USA, Giappone, Russia, Cina, India e Corea del Sud. La durata del progetto è di circa 30 anni. Nel 2025 si prevede di ottenere il primo plasma e successivamente si procederà alla sperimentazione e alla verifica della fattibilità e dell attuabilità scientifica e tecnologica delle centrali a fusione con la costruzione di DEMO: un macchinario che, in qualità di successore di ITER, metterà le basi per la produzione di energia elettrica da fusione a livello industriale.[6]
Conosciamo meglio le parti che compongono il Tokamak ITER : Il Campo Magnetico Elicoidale e formato da: Bobine Toroidali Bobine Poloidali Solenoide Centrale Il Blanket è composto da uno spesso strato di parti raffreddate attivamente e contenenti Litio in grado di assorbire i neutroni liberi: 6 Li + n -> T + 4 He, producendo così il Trizio che potrà essere utilizzato nel processo di fusione. Il Divertore ha la funzione di estrarre le ceneri della reazione di fusione.
La camera da vuoto o Vacuum Vessel è un contenitore in acciaio ermeticamente sigillato per realizzare il vuoto. Funge da prima barriera di contenimento di sicurezza. Nella sua camera a forma di ciambella le particelle del plasma vengono contenute senza toccare le pareti. Il Vacuum Vessel fornisce un ambiente ad alto vuoto per il plasma, migliora la schermatura delle radiazioni e la stabilità del plasma, funge da barriera di confinamento primaria per la radioattività e fornisce supporto per componenti del vessel come il mantello e il divertore. Il Criostato è la più grande camera da vuoto in acciaio inox mai costruita (16.000 m 3 ). Fornisce l ambiente ad alto vuoto e ultra-refrigerato per ospitare il Vacuum Vessel di ITER e per i magneti superconduttori.
Stellarator Lo Stellarator è una configurazione magnetica in cui il plasma tende a prendere una forma ad elica. La macchina è costruita in maniera modulare con bobine non planari. Lo Stellarator è una macchina che crea un campo magnetico che si adatta al plasma (cioè non forza il plasma ad adattarsi al campo magnetico), ciò è ottenuto generando una corrente di plasma priva di campo magnetico proprio. In questo modo si ottiene un plasma stabile. Il problema di questa macchina è la complessità costruttiva per la geometria dei magneti che non possono più essere modulari, ma, dovendo seguire l evoluzione del plasma, sono differenti a seconda della posizione sulla periferia della macchina. L esperimento più grande di questa configurazione magnetica si trova in Germania ed è chiamato Wendelstein 7-X, la cui realizzazione è stata ultimata nel 2014. Dopo i dovuti test per la verifica del corretto funzionamento della macchina, a dicembre 2015, è stato prodotto il primo plasma usando il gas elio, mentre a febbraio 2016 è stato prodotto il primo plasma usando l idrogeno.
RFP - Reversed Field Pinch Il Reversed Field Pinch è un dispositivo utilizzato per produrre e contenere il plasma creato durante il processo di Fusione Termonucleare. Il RFP utilizza il campo magnetico al bordo opposto rispetto a quello dell asse. La sua geometria magnetica è un po diversa da quella di un comune Tokamak. Mentre si sposta radialmente, la parte del campo magnetico che punta toroidalmente inverte la sua direzione, dando così origine al campo invertito. Questa configurazione può essere sostenuta con campi comparativamente inferiori a quelli di un Tokamak di potenza simile. [7] [8] [9] Il Reversed Field experiment (RFX) è un esperimento di confinamento del plasma da fusione nucleare controllata, situato a Padova nei laboratori del Consorzio RFX presso l Area di Ricerca del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). L esperimento sfrutta il campo magnetico in configurazione Reversed Field Pinch (RFP). RFX-mod è l esperimento RFP che ha raggiunto la corrente di plasma più alta in assoluto, 2 MA (2 milioni di Ampere) ed è dotato di uno dei più avanzati sistemi di controllo della stabilità del plasma mai realizzati per un esperimento di fusione termonucleare controllata a confinamento magnetico. Nella stessa sede di Padova si stanno realizzando due progetti a completamento del progetto ITER, denominati Mitica e Spider.
MITICA Megavolt ITER Injector & Concept Advancement Mitica è il prototipo di uno dei tre sistemi per riscaldare il plasma di ITER, le altre due soluzioni sono basate sulle onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Mitica è un iniettore di particelle neutre alimentato ad 1 MV in 5 stadi da 200 kv. Mitica produrrà i fasci di neutri accelerati che verranno studiati e migliorati per poi costruire i due iniettori di ITER in Francia che riscalderanno il plasma di ITER. Il sistema di iniezione di neutri funziona un po come il getto del vapore della macchina espresso del bar, quando riscalda il cappuccino. Il fascio penetra nel plasma e le particelle neutre che collidono con le particelle del plasma trasferiscono la loro energia cinetica e quindi riscaldano il plasma. SPIDER Source for Production of Ion of Deuterium Extracted from Rf plasma SPIDER è una sorgente con un estrattore e un acceleratore di Ioni negativi. Esperimento dedicato allo sviluppo della sorgente di ioni di MITICA.
Centrali a Fusione Nucleare Il passo successivo dopo la realizzazione di ITER è la realizzazione di DEMO e poi di centrali nucleari vere e proprie che vengano alimentate tramite la fusione del Deuterio e del Trizio, oppure altri reagenti. Il processo di fusione ha inizio quando i nuclei di Deuterio e Trizio vengono fusi e trasformati in Elio e neutroni, producendo una grande quantità di energia. L Elio, essendo carico elettricamente, rimane prima confinato dai campi magnetici e la sua energia è ceduta al plasma aiutando a mantenere le condizioni termonucleari; ceduta la sua energia, viene poi estratto al divertore. I neutroni, che trasportano la maggior parte dell energia prodotta (14,1 MeV), non avendo carica sfuggono all azione dei campi magnetici, e vengono frenati dal mantello, cedendo la loro energia e riscaldandolo. Il litio presente nel mantello assorbe i neutroni trasformandosi in Trizio (che viene immesso nella camera da vuoto) ed Elio, un gas innocuo e utile per tante applicazioni. Per trasformare l energia termica del mantello in energia elettrica si utilizza uno schema tradizionale. Il fluido refrigerante del mantello cede energia allo scambiatore producendo vapore che alimenta la turbina/generatore per la produzione di energia elettrica. Questo è un esempio di centrale nucleare che funzionerà con macchine a confinamento magnetico, diminuendo così la dipendenza dalle fonti di energia non rinnovabili. Il progetto che svilupperà questi concetti prenderà il nome di DEMO ed avrà dimensioni maggiori rispetto ad ITER. Le caratteristiche del plasma di DEMO devono quindi essere molto più spinte di quelle del plasma sviluppato da ITER, cioè tali da mantenere la stabilità della reazione di fusione. Questo invece è un esempio di centrale che potrà funzionare con macchine a confinamento inerziale come LIFE oppure HiPER. Saranno centrali molto grandi, poiché per rendere i fasci di laser molto energetici servono distanze molto lunghe. Schema di principio del reattore a fusione inerziale
Vantaggi e Svantaggi della Fusione Gli studi sulla possibilità di sfruttare la reazione di Fusione Nucleare per produrre energia e i grandi sforzi economici spesi per realizzare la tecnologia che la rendano possibile, partono dal presupposto che questo investimento abbia un eccellente ritorno sul lungo periodo per quanto riguarda produttività e costi. Ma quali sono nel dettaglio i vantaggi e gli svantaggi della fusione nucleare? Principali Vantaggi della Fusione Piccole quantità di reagenti se non si considerano i volumi di sostanze dalle quali sono estratti. Il combustibile da utilizzare è abbondantissimo sulla Terra. Il Deuterio si estrae dall acqua del mare dove si trova in una concentrazione di circa 30 g/m 3 ; il Trizio si produce direttamente nel reattore dal Litio. Il Litio si trova nelle rocce e nella crosta terrestre con una concentrazione di 0,2 g/ m 3. La fusione è considerata intrinsecamente sicura: non vi sono rischi per la popolazione anche in caso di guasto, che porterebbe semplicemente a perdere le condizioni di fusione e quindi a fermare la reazione, senza rischio alcuno di innescare reazioni a catena come per la fissione. La fusione non produce gas serra (CO 2 ) o piogge acide (SO 2, NO 2 ). Le ceneri della fusione (nuclei di elio) sono inerti e non radioattive. L impossibilità di usare questa energia a scopi bellici. Principali Svantaggi della Fusione Il confinamento del plasma richiede ancora studi per raggiungere e mantenere temperature molto elevate. I reattori a fusione sono tecnologicamente complessi e richiedono un alto investimento di capitali: materiali superconduttori per le bobine, grande escursione termica radiale da alcuni Kelvin (temperature criogeniche) a migliaia di Kelvin. Per la realizzazione del primo reattore commerciale a fusione si stimano circa 50 anni di studi e sviluppi. È necessario reperire nuovi materiali resistenti all elevato flusso neutronico. Nuovi materiale e nuovi schemi di raffreddamento e controllo termico devono essere studiati per sopportare flussi termici di decine di MW/m 2.
Conclusioni e Ringraziamenti Concludo la mia argomentazione sapendo che, nonostante l argomento da me esposto sia di difficile trattazione, mi ha appassionato davvero tanto. Ho dedicato molto tempo alla lettura di vari siti, per informarmi il più possibile su questa nuova emergente tecnologia, che un domani potrà rivoluzionare il sistema di produzione dell energia elettrica. Il mio interesse verso questa fonte di energia si è formato successivamente alla visita al CNR (Centro Nazionale delle Ricerche) di Padova e alle sue strutture interne, le quali contengono le apparecchiature necessarie alla ricerca sulla Fusione Nucleare. Ringrazio i miei professori di indirizzo per avermi aiutato a conoscere questa piccola parte del mondo elettrico ed elettronico e, non da meno, tutti gli altri insegnanti che mi hanno accompagnato fino alla conclusione del mio percorso scolastico. Ringrazio l Istituto Tecnico Guglielmo Marconi per avermi fornito i materiali e gli spazi necessari. Ringrazio la mia classe che mi ha sostenuto e supportato durante questi anni insieme. Un ultimo ringraziamento, ma non meno importante, alla mia ragazza che mi ha aiutato nella stesura grafica della tesina e ai miei genitori, a me vicini in questo progresso di apprendimento culturale.
Bibliografia [1] http://cartografareilpresente.org/article384 [2] https://www.llnl.gov/ [3] https://en.wikipedia.org/wiki/laser_inertial_fusion_energy [4] http://www.hiper-laser.org/ [5] https://www.euro-fusion.org/jet/ [6] http://www.iter.org/ [7] https://it.wikipedia.org/wiki/reversed_field_pinch [8] https://en.wikipedia.org/wiki/reversed_field_pinch [9] Libro: Il Fuoco della Fusione termonucleare controllata di Piero Caldirola, Roberto Pozzoli, Elio Sindoni, EDIZIONI SCIENTIFICHE E TECNI- CHE MONDADORI [10] PowerPoint fornito dal CNR durante la visita presso la loro struttura.