FTU: una stella dentro una ciambella magnetica Tutor: Cesidio Cianfarani E mail: cesidio.cianfarani@enea.it Telefono: 5600 30/09/16 Notte dei Ricercatori 2016 ENEA Frascati 1
Introduzione all argomento Il Tokamak èuna macchina in cui un gas, tipicamente idrogeno, viene ionizzato (cioè separato in cariche positive e negative), formando così un plasma, che viene poi riscaldato a milioni di gradi e confinato grazie a potenti campi magnetici prodotti da bobine attraversate da enormi correnti elettriche. Dal 1989 èin funzione in Italia il Tokamak FTU (Frascati Tokamak Upgrade). La caratteristica di FTU sta nel fatto che produce un campo magnetico toroidale molto più elevato di altre macchine dello stesso tipo, il che permette di effettuare studi specifici sulla fisica del plasma che altrove non sono possibili. FTU si inserisce infatti a pieno titolo nel filone di ricerca, iniziato nei lontani anni '50, il cui scopo ultimo è quello di riprodurre le reazioni di fusione nucleare che avvengono nel Sole, il che permetterà un giorno di produrre energia in grande quantità, in modo sicuro e senza la creazione di scorie nucleari. La sfida che questo comporta è comunque di tale ampiezza che le ricadute scientifiche e tecnologiche ripagano già ampiamente gli sforzi in corso. Raggio maggiore (m) 0.935 Raggio minore (m) 0.3 Corrente di plasma (MA) 1.6 Campo Magnetico (T) 8 Numero di finestre per guardare nel plasma 12 Schema di un Tokamak parametri di FTU plasma all interno di FTU Il Tokamak è circondato da numerosi sensori, posizionati presso le aperture ricavate nella ciambella, che servono ad osservare la radiazione e le particelle provenienti dal plasma (v. figura a destra), in modo da valutarne il comportamento e i parametri caratteristici (densità, temperatura, correnti, campi magnetici, etc.). Le aperture vengono inoltre utilizzate per iniettare nel plasma particelle e/o radiazione elettromagnetica per raggiungere le altissime temperature necessarie a studiare le condizioni per il processo di fusione nucleare.
Descrizione attività da svolgere il 30/9 Il dipartimento per la fusione del centro di ricerche ENEA Frascati propone una visita guidata al Frascati Tokamak Upgrade (FTU). Ricercatori esperti coadiuvati da ragazzi delle scuole superiori si occuperanno di introdurre i visitatori al concetto di fusione termonucleare, ai motivi della sua importanza e alla sfida tecnologica in corso che porterà in futuro a disporre di una fonte di energia pulita e inesauribile. Il percorso prevede: 1.Breve introduzione teorica sui principi e le difficoltà della fusione termonucleare controllata. L esposizione avverrà grazie all uso di poster, filmati, leggii espositivi, modellini in scala e componenti reali dismessi dalla macchina stessa 2.Visita alla sala di controllo di FTU e descrizione delle attività di una tipica giornata di sperimentazione dedicata all indagine della fisica del plasma e delle relative tecniche di controllo 3.Ingresso nella hall sperimentale e visita alla macchina e agli apparati che la circondano con descrizione delle principali attrezzature diagnostiche in uso, sistemi di riscaldamento addizionale, sistemi di protezione e controllo L aiuto richiesto agli studenti sarà così articolato: 1)Acquisizione delle conoscenze di base per introdurre i gruppi di visitatori alle problematiche della fusione in modo accattivante 2)Aiuto nella logistica della visita di un gruppo alla sala di controllo / hall sperimentale di FTU La partecipazione è aperta a tutti con suddivisione in gruppi, nel caso di visita in corso si potrà attendere il turno successivo. 30/09/16 Notte dei Ricercatori 2016 ENEA Frascati 3
Introduzione di base alla fusione nucleare - I L umanità consuma oggi 13 TW di energia che rischiano di diventare 30 nel 2050. Inoltre l uso dei combustibili fossili sta seriamente aumentando il livello di anidride carbonica (CO 2 ) nell atmosfera che, grazie all effetto serra, sta già provocando un significativo aumento della temperatura terrestre che nel lungo periodo porterà a dannosi cambiamenti climatici. Il processo di fusione nucleare, alla base del funzionamento del Sole e delle altre stelle, può essere una risposta: non produce CO 2 il combustibile necessario (Deuterio e Litio) è facilmente reperibile da tutti e praticamente inesauribile i prodotti della fusione non sono radioattivi Il reattore è intrinsecamente sicuro (non può esplodere) Stelle: reazione di fusione protone-protone La fusione è una reazione nucleare in cui due nuclei di elementi leggeri, (e.g. l idrogeno H), si fondono a temperature e pressioni elevate per dare origine ad un nucleo più pesante, (e.g. l elio He), la cui massa è però minore della somma delle masse dei nuclei di partenza. La massa mancante, secondo il principio di equivalenza massa-energia di Einstein (E = Δm c 2 ), viene trasformata in energia cinetica delle particelle prodotte dal processo di fusione. Reazione di fusione Deuterio - Trizio Fra i vari possibili processi di fusione, quello più alla nostra portata è la fusione fra due isotopi dell idrogeno : il deuterio (D) e il trizio (T). I prodotti di questa reazione sono: Neutroni veloci Nuclei di Elio Altre possibilità (quali D-D, D-He 3, o quella protone-protone usata dal Sole) sono per ora impraticabili. H (stabile) D (stabile) T (radioattivo) Isotopi dell idrogeno: in blu il protone, in giallo i neutroni
Introduzione di base alla fusione nucleare - II Il Trizio è un elemento radioattivo a vita breve e quindi non presente in natura, ma esso verrebbe prodotto in piccole quantità all interno del reattore e ivi consumato insieme al Deuterio. Per produrlo la camera di reazione viene circondata da un mantello composta da Litio il quale, interagendo coi neutroni prodotti dal processo di fusione, si tramuta in Trizio. Sia il Deuterio che il Litio (combustibili iniziali) sono facilmente reperibili e sufficienti per milioni di anni (ai consumi attuali). Come riferimento si consideri che ci sono circa 33 mg di D per ogni litro d acqua e che nel processo di fusione la quantità di D che è presente in circa 3 litri di acqua di mare fondendo produce l energia che si ottiene da circa 1000 litri di benzina. La fusione dei nuclei è ostacolata dalla forza coulombiana che è repulsiva tra nuclei di carica uguale (positivi) e agisce fino a lunghe distanze. E invece favorita dalla forza nucleare forte, che è attrattiva tra nucleoni, ma agisce solo a distanze molto piccole (10-13 cm). Per favorire la fusione è necessario quindi superare la repulsione coulombiana favorendo l avvicinamento dei nuclei. Ciò si realizza raggiungendo temperature di circa 10-100 milioni di gradi C. Schema di centrale a fusione nucleare
Introduzione di base alla fusione nucleare - II A queste temperature, al contrario della materia «ordinaria» in cui ogni nucleo atomico è circondato dalla sua nuvola elettronica, l unica forma possibile è quella del plasma. Esso è un gas ionizzato, cioè un miscuglio di elettroni e ioni (ovverosia atomi che hanno perso parte o tutti i loro elettroni) che si muovono come entità libere. Come confinare un plasma a milioni di gradi? Non esiste un recipiente che possa contenere il plasma ad una temperatura così elevata. Il sole risolve il problema grazie alla forza gravitazionale, noi invece possiamo sfruttare il confinamento magnetico grazie ad un TOKAMAK che è una struttura a forma di ciambella (toro) in cui si vengono generati potenti campi magnetici. Tali campi costringono qualunque particella carica a ruotare attorno alle loro linee di forza. In questo modo le particelle sono confinate all interno della ciambella. Plasma libero Ovviamente non basta riscaldare il plasma e confinarlo poiché ci sono inevitabili perdite di calore che devono essere tenute sotto controllo. Si hanno infatti perdite per emissione di radiazione, diffusione di particelle (alcune delle quali riescono comunque a sfuggire ai campi magnetici) e attività magnetoidrodinamica (turbolenze simili a quelle che si verificano nei fluidi). Moto delle particelle cariche all interno di una sezione del TOKAMAK
Introduzione di base alla fusione nucleare - III Per poter studiare cosa succede durante una scarica di plasma, bisogna poterlo osservare tramite port (finestre) che si affacciano sulla ciambella e che consentano l utilizzo di varie diagnostiche (sistemi per misurare i parametri di interesse del plasma). Ecco di seguito uno spaccato della macchina Tokamak di ricerca di Frascati dove sono evidenziati i principali componenti: Spaccato del TOKAMAK di Frascati
Sala controllo di FTU - I Per il funzionamento di FTU è necessaria la collaborazione di una equipe formata da varie figure professionali (fisici, ingegneri, tecnici, ) Queste figure operano in varie postazioni. La sala controllo è il luogo dove trascorrono la maggior parte del loro tempo i vari ricercatori impegnati nella campagna sperimentale in corso. Il nucleo della sala controllo è composto da una serie di monitor e postazioni di lavoro collegate in rete che si può immaginare equivalente alla cabina di pilotaggio di un aereo. Lì arrivano in fatti tutte le informazioni sullo stato degli impianti, sull andamento della scarica di plasma, su eventuali allarmi, etc. e da lì si possono inviare comandi per modificare le varie condizioni operative e avviare gli esperimenti sulla fisica del plasma. La consolle di comando è posizionata di fronte ai tre monitor principali ed è occupata dal Responsabile delle Operazioni (RdO). Quest ultimo è il ricercatore che durante le fasi sperimentali si può considerare come il «pilota» dell aereo. Egli ha la responsabilità ultima di coordinare le varie operazioni necessarie per realizzare un esperimento con FTU avvalendosi della collaborazione di tutte le altre competenze. A lui spetta decidere come raggiungere le condizioni operative richieste e valutare se esse sono compatibili con gli standard di sicurezza oppure se la sperimentazione vada sospesa per eventuali manutenzioni. RdO RS PIC Tecnici di macchina
Sala controllo di FTU - II Insieme all RdO, lavorano i tecnici di macchina (che assicurano l efficienza operativa dell impianto), i responsabili delle varie diagnostiche (che si preoccupano del buon funzionamento delle stesse), il responsabile scientifico dell esperimento in corso (RS), il Physicist in Charge (PIC), che sorveglia lo stato di salute degli impianti e delle diagnostiche e, se necessario, attiva l intervento dei vari responsabili. Ad ogni scarica di plasma (che dura circa 1.5 s con un intervallo medio di 20 minuti tra una e l altra) sui tre monitor in alto compaiono i parametri provenienti dalle principali diagnostiche (e.g. temperatura, densità, etc.) e un filmato della scarica in corso proveniente da una videocamera ad alta velocità della scarica in corso. I tre monitor in alto sono la principale fonte d informazione per sapere come sta andando la sperimentazione. Sotto ai tre monitor sono posizionati altri monitor più piccoli che permettono di tenere sotto osservazione lo stato degli impianti (e.g. condizioni di vuoto, alimentazioni elettriche, etc.) necessari al funzionamento di FTU.
Riscaldamento alla risonanza elettronica ciclotronica (ECRH) - I Per innescare in un Tokamak le reazioni di fusione nucleare occorre riscaldare il plasma, in particolare i nuclei (nel nostro caso Deuterio e Trizio), ad una temperatura di almeno 100 milioni di gradi. f = 2.45 GHz 10 3 Watt Uno dei modi per farlo è quello di riscaldare prima gli elettroni, i quali poi, attraverso continue collisioni, trasferiscono parte della loro energia cinetica ai nuclei, riscaldandoli. Per riscaldare gli elettroni si iniettano microonde nel plasma, cioè radiazioni elettromagnetiche simili a quelle che vengono utilizzate nei forni a microonde domestici. La potenza necessaria (energia per unità di tempo) è tuttavia in questo caso molto maggiore (decine di mega-watt). Come termine di confronto un forno domestico di solito non supera i 1000 Watt. Le microonde vengono generate all interno di oggetti chiamati Gyrotron e poi trasferite mediante guide d onda, cioè essenzialmente tubi metallici di forma opportuna, fino all ingresso di una apertura (port) praticata nel Tokamak, da cui possono penetrare nel plasma. f = 10 170 GHz 10 7 Watt d b a e c
Riscaldamento alla risonanza elettronica ciclotronica (ECRH) - II Ma come fanno le microonde a scaldare gli elettroni? Si tenga presente che gli elettroni sono intrappolati dal campo magnetico presente nella macchina, che li costringe a ruotare attorno alle sue linee di forza con una frequenza caratteristica, chiamata frequenza ciclotronica. L idea allora è semplice: la frequenza delle microonde viene scelta in modo tale che le onde elettromagnetiche inviate sul plasma vibrino proprio alla frequenza ciclotronica degli elettroni. Quando si verifica questa condizione, chiamata risonanza, gli elettroni assorbono energia dalle microonde e vengono accelerati; in altre parole si riscaldano. Il processo è simile a quello che avviene quando, per esempio, si spinge un altalena: se le spinte vengono date al momento giusto (cioè in risonanza), l ampiezza delle oscillazioni dell altalena aumenta progressivamente. Il nome inglese di questa tecnica (Electron Cyclotron Resonance Heating) significa appunto riscaldamento alla risonanza elettronica ciclotronica.