LEZIONE 5 MERCOLEDÌ 4 APRILE 2012 LA FUSIONE NUCLEARE

LEZIONE 5 MERCOLEDÌ 4 APRILE 2012 LA FUSIONE NUCLEARE CONSORZIO RFX Quanto contenuto in questa presentazione è estratto dal testo Fisica e ingegneria della fusione: la ricerca verso una nuova fonte di energia, redatto per fini didattici dal Consorzio RFX e liberamente scaricabile dal sito web. Link diretto: http://www.igi.pd.cnr.it/wwwedu/index.html 1

STRUTTURA DELLA MATERIA /1 Nell antichità si immaginava che la materia fosse composta da piccole particelle indivisibili, chiamate atomi. Già nel 1800 Prout mette in discussione questa visione, intuendo che gli atomi non sono tutti uguali e che probabilmente possono essere scomposti in particelle più piccole. Seguono nei secoli XIX e XX numerose e varie formulazioni che originano differenti modelli, come quello di Rutherford (1911 - modello planetario: tutta la massa è concentrata in un punto, detto nucleo, e le cariche elettriche ruotano attorno a tale nucleo come i pianeti attorno al Sole), poi migliorato con il modello di Bohr- Sommerfeld. STRUTTURA DELLA MATERIA /2 Già dagli anni 20 la comunità scientifica si è resa conto dell impossibilità di descrivere quantitativamente ed in maniera completa la fisica dei fenomeni che hanno luogo a livello atomico (principio di indeterminazione di Heisenberg). Dobbiamo limitarci ad una descrizione probabilistica dell universo atomico, perché una descrizione deterministica è impossibile. Einstein ha sempre avversato questo approccio, che ha portato alla nascita della meccanica quantistica, che si ispira ai lavori di Bohr e Heisenberg (nel corso di una discussione epistolare col primo, Einstein avrebbe detto la celebre frase Dio non gioca a dadi con l universo ). 2

STRUTTURA DELLA MATERIA /3 Ai fini del nostro studio considereremo la materia come composta da atomi. Elementi chimici diversi hanno atomi con caratteristiche diverse. La struttura degli atomi è però comune: un nucleo composto da (neutroni e) protoni, circondato da una nube di elettroni. Neutroni, protoni ed elettroni, sono considerati particelle elementari, cioè non ulteriormente scindibili. Elettrone: carica elettrica -1,6 x10^(-19) C, massa 9,11 x 10^(-31) kg Protone: carica elettrica +1,6 x10^(-19) C, massa 1800 x massa_el Neutrone: carica neutra, massa leggermente superiore al protone STRUTTURA DELLA MATERIA / 4 In figura appare un atomo di idrogeno (H), che è l elemento più semplice e leggero dell universo. È composto da un protone (carica elettrica positiva) e da un elettrone (carica negativa). Non ha neutroni. 3

STRUTTURA DELLA MATERIA / 5 Atomi più complessi hanno nuclei più pesanti, composti da protoni e neutroni, attorno ai quali ruotano elettroni disposti su orbite (orbitali) differenti, con livelli di energia distinti. Il ferro, ad esempio, ha ben 26 protoni e, se elettricamente neutro, 26 elettroni. EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA / 1 Abbiamo già visto che l energia si manifesta in infinite forme (cinetica, potenziale, chimica, elettromagnetica etc.) e che si conserva sempre. Einstein (1905 Teoria della relatività ristretta) provò che anche la massa è una forma di energia e che l una si può trasformare nell altra. E = m x c^2 Se in una reazione nucleare c è una variazione di massa, la quantità m si trasforma integralmente in energia 4

EQUIVALENTE MASSA-ENERGIA / 2 Poiché il termine c^2 è enorme (c è la velocità della luce, 300 000 km/s circa), bastano variazioni infinitesimali della massa di un sistema per liberare energie elevatissime. Δm c^2 ΔE ESTRATTO DA DISPENSA La reazione di fusione nucleare permette di ricavare energia grazie al fenomeno naturale conosciuto come "Difetto di Massa". Se in una trasformazione nucleare si ha una riduzione della massa Δm, viene liberata un energia pari al prodotto di tale riduzione Δm per il quadrato della velocità della luce c^2. È chiaro quindi che, anche se questa quantità Δm è piccolissima, essa viene moltiplicata per un numero enorme, dando alla fine una quantità apprezzabile di energia. [ ] Il nuovo modello atomico consente di immaginare l'atomo formato da un nucleo, i cui costituenti, detti nucleoni, sono i protoni, aventi carica elettrica positiva, e i neutroni; attorno al nucleo ruotano gli elettroni, con carica elettrica negativa. La carica elettrica complessiva dell'atomo è nulla perché il numero di elettroni è uguale a quello dei protoni. 5

LA FISSIONE NUCLEARE/1 Nella reazione di fissione un isotopo grosso e pesante di uranio (U-235) o plutonio (Pu-239) viene bombardato con neutroni affinché perda stabilità e si spezzi, liberando energia. Il problema della fissione è che i prodotti della reazione sono altamente instabili e richiedono migliaia di anni prima di stabilizzarsi. In questi anni continuano a rilasciare energia (radiazioni) e trasformarsi. LA FISSIONE NUCLEARE /2 Vediamo un esempio di reazione: U235 + n B140 + Kr93 + 3 n + 192 MeV Un isotopo di U235 che fissioni dopo l impatto con un neutrone n produce isotopi più leggeri (del Bario e del Kripton) e libera inoltre altri neutroni (che posso essere utilizzati per mantenere la reazione di fissione e realizzare quindi una reazione a catena ) ma soprattutto libera energia (2,76 x 10^(-11)J). 6

LA FISSIONE NUCLEARE / 3 Che energia sarà quella posseduta dai prodotti della fissione? LA FISSIONE NUCLEARE / 3 Che energia sarà quella posseduta dai prodotti della fissione? È energia cinetica di tutti ciò che ha massa, prodotto dalla fissione. Stiamo parlando, nel caso dell esempio, degli isotopi di bario e kripton e dei neutroni, che schizzano via a velocità elevatissime e che vanno, infatti, rallentati ( moderatore). Questo rallentamento sottrae energia cinetica trasformandola di calore, che poi viene utilizzato in un processo generativo termoelettrico. 7

LA FUSIONE NUCLEARE Nella reazione di fusione avviene il contrario. Due isotopi leggeri vengono fatti impattare l uno contro l altro con energie enormi (in grado di vincere le forze di repulsione elettromagnetica) affinché si fondano. Il prodotto dello scontro è un isotopo non stabile che deve emettere energia per stabilizzarsi, ma lo fa in tempi molto brevi e senza rilasciare emissioni pericolose. Il processo di fusione ha luogo in ogni momento nel nostro Sole (e nelle stelle) dove grazie alle temperature ed alle pressioni elevatissime gli atomi di idrogeno si fondono per produrre atomi di elio (+ calore!!!). ENERGIA DA FISSIONE VS. FUSIONE L energia liberabile da una reazione di fusione è molto maggiore di quella liberata dalla fissione. Questo dipende da un m molto maggiore e dalla natura fisica degli elementi coinvolti. 8

PROBLEMI DELLA FISSIONE Come detto, occorre fornire agli isotopi coinvolti un enorme energia affinché superino le forze di repulsione elettrostatica che tenderebbero ad allontanarli e possano arrivare a toccarsi e fondersi (lavoro delle forze di attrazione nucleare). Dagli anni 50 gli ingegneri del pianeta si chiedono: il sistema produce più energia di quella che mi occorre per mantenerlo in vita? CRITERIO DI DAWSON / 1 Risponde, nel 1957, Dawson: affinché una reazione di fusione Deuterio-Trizio (la più comune e conveniente) porti ad una produzione netta di energia occorre che: n TE >6 x 10^19 [s/m3] Alla temperatura di 230 MILIONI DI GRADI CENTIGRADI con: n = densità nucleare[1/m3] TE = tempo di confinamento dell energia [s] 9

CONDIZIONI PER LA FUSIONE Semplificando, per realizzare la fusione abbiamo bisogno di un gas molto denso e molto caldo. PLASMI / 1 Ma a tali temperature (milioni di gradi) c è un quarto stato della materia da considerare. Sappiamo che lo stato solido è quello ad energia termica minore; fornendo calore (energia) ho il passaggio allo stato liquido e fornendo ulteriore calore (energia) passo allo stato gassoso. Solido (ghiaccio) Liquido (acqua) Gas (vapore) 10

PLASMI / 2 Ebbene cedendo ulteriore calore posso arrivare a spezzare non solo le molecole, ma anche gli atomi stessi, separando definitivamente gli elettroni, che vengono strappati via e allontanati dal loro nucleo. Il gas è ionizzato: compaiono cioè principalmente ioni positivi (nuclei che hanno perso gli elettroni in orbita) e ioni negativi (elettroni liberi). PLASMI / 3 Se vogliamo fornire ai singoli atomi di Deuterio e di Trizio abbastanza energia da superare la Barriera di Coulomb e raggiungere la fusione, dobbiamo riscaldarli molto e quindi creare un plasma di Deuterio e Trizio. 11

ESTRATTO DALLA DISPENSA La Materia di cui siamo fatti e nella quale viviamo si presenta solitamente in tre stati: solido, liquido, aeriforme: una medesima sostanza può assumere il primo o il secondo o il terzo stato a seconda dell'energia da essa posseduta, ovvero della temperatura a cui la sostanza si trova. Qual è la differenza tra gas e plasma? Nel plasma le molecole sono dissociate in atomi e gli atomi sono in massima parte ionizzati, ovvero i nuclei sono separati dagli elettroni. Il plasma è quindi una miscela di ioni, di elettroni e di atomi neutri, che a differenza dei gas (composti quasi solamente di particelle neutre) è estremamente sensibile all applicazione di campi elettrici e magnetici. La nostra esperienza delle condizioni nelle quali noi viviamo sulla Terra ci induce a ritenere il plasma uno stato eccezionale della materia. CRITERIO DI DAWSON / 2 Il criterio di Dawson ha oggi solo valore storico, esistono parametri più efficaci per descrivere le caratteristiche del processo di fusione, come il fattore di guadagno Q: potenza prodotta da fusione /potenza immessa dall esterno Con Q = 1 (pareggio) tutta l energia che immetto viene poi compensata dalla produzione di energia da fusione; con Q = (ignizione) il plasma si autosostiene. In un ipotesi di generazione elettrica Q sarebbe compreso tra 10 e 100. 12

CONFINAMENTO DEL PLASMA Trovandosi a centinaia di milioni di gradi il plasma non può entrare in contatto con alcun materiale, senza distruggerlo immediatamente trasferendogli il calore posseduto ad altissima temperatura. Occorre confinare il plasma, mantenerlo cioè in una certa posizione nel reattore in modo che non possa fuggire, senza però toccarlo fisicamente. Nel Sole è l enorme forza di gravità legata alla gigantesca massa della stella che impedisce al plasma di allontanarsi e disperdersi nell universo ma sulla Terra, come fare? Si sfrutta la natura del plasma, che è un gas ionizzato quindi composto da ioni positivi e negativi, sensibili ai campi elettrici e magnetici. CONFINAMENTO MAGNETICO / 1 Su una carica elettrica sottoposta ad un campo magnetico è esercitata una forza proporzionale all intensità del campo ed alla velocità ed alla carica elettrica della particella. 13

CONFINAMENTOMAGNETICO / 2 Possiamo quindi controllare la posizione ed il moto degli ioni che compongono il plasma immergendoli in un campo magnetico B. Questo campo viene tipicamente generato da un solenoide, una bobina, percorsa da una corrente elettrica. Ma c è il problema che le linee di campo divergono (si aprono ) alle estremità e soprattutto che il solenoide ha uno sviluppo longitudinale di lunghezza finita: prima o poi gli ioni scapperebbero fuori dalle estremità CONFINAMENTO MAGNETICO / 3 Gli ioni non scappano fuori dalle estremità se le unisco, se cioè il percorso del plasma non ha né un inizio né una fine, è cioè un percorso unico (tubo richiuso su sé stesso). In realtà le particelle si urtano continuamente e quindi si sviluppa comunque un moto di fuga radiale (dal centro verso l esterno) ed inoltre la curvatura stretta del toro fa sì che le particelle allarghino la propria traiettoria verso l esterno. 14

CONFINAMENTO MAGNETICO / 4 La macchina utilizzata per la fusione funziona come un trasformatore, con un avvolgimento primario (avvolto intorno al nucleo) ed un secondario (avvolto intorno al toro). Un campo magnetico variabile permette di sviluppare una elevata forza elettromotrice che agisce sul gas inserito nella macchina (dove sono già presenti elettroni liberi) ed induce una scarica che ionizza il gas: ecco il plasma. RISCALDAMENTO DEL PLASMA Attivato il plasma, occorre riscaldarlo. Si sfrutta per questo la legge di Ohm: una corrente elettrica I (scarica nel gas) che fluisce attraverso un corpo con una certa resistenza R (plasma) sviluppa potenza (termica) P = R x I^2 Ma il plasma è un ottimo conduttore, al crescere della sua temperatura crolla la sua resistività: non posso raggiungere le temperature di fusione scaldandolo per effetto della legge di Ohm. Si ricorre anche a riscaldamenti a radioonde o con fasci di atomi neutri ad alta energia (MW = mln watt) 15

JET (EUROPA/1983) VISTA DELL INTERNO DETTAGLIO DELLE PARETI INTERNE DEL TORO 16

VISTA DALL ESTERNO DI UNA MACCHINA TOKAMAK 02/04/2012 UNA MACCHINA COMPLESSA. 17

TOKAMAK, JET, ITER, DEMO ITER (in origine International Thermonuclear Experimental Reactor, in seguito usato nel significato originale latino, cammino) è un progetto internazionale che si propone di realizzare un reattore a fusione nucleare in grado di produrre più energia di quanta ne consumi per l'innesco e il sostentamento della reazione di fusione. Nello specifico, ITER è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è ottenuto in un campo magnetico all'interno di una macchina denominata Tokamak. La sua costruzione è attualmente in corso a Cadarache, nel Sud della Francia da un consorzio di Unione europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'america, India e Corea del Sud. Il costo previsto è di 10 miliardi di euro. ITER è un reattore sperimentale, il cui scopo principale è l'ottenimento di una reazione di fusione stabile (500 MW prodotti per una durata di circa 60 minuti) validando e, se possibile, incrementando le attuali conoscenze sulla fisica del plasma. Inoltre, con ITER verranno collaudate alcune soluzioni tecnologiche necessarie per la futura centrale elettrica a fusione (DEMO). ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE Leggere bene e con molta attenzione la presentazione, in ogni sua parte. Se possibile approfondire le informazioni leggendo qualche parte della dispensa del Consorzio RFX. Fare l esercitazione nr. 5 (è l ultima del corso, fatela bene). Spendete due minuti per la valutazione della didattica (blog del corso: Valutazione della didattica). Segnalate sviste ed errori a: riccardomaistrello@gmail.com 18