ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, Imbrigliare l energia delle stelle
SOMMARIO Il sole la materia diventa energia L Energia della fusione sulla Terra Un gas ma non solo! Uguale ma diverso Una gabbia magnetica Studiare i plasmi per un reattore Frascati Tokamak Upgrade Studiare, sperimentare, sviluppare Un valore aggiunto Tutta la vita consumiamo energia Nei prossimi decenni la domanda di energia nel mondo, specialmente di elettricità, è destinata a crescere a causa del previsto aumento della popolazione e della crescita econo mica nei paesi meno sviluppati. Certamente dovremo imparare ad usare l energia in modo più efficiente, tuttavia ciò non basterà ad evitare un aumento molto sostenuto della domanda di elettricità a costi accettabili dal punto di vista economico e ambientale. Per far fronte ai bisogni delle generazioni future si dovrà ricorrere ad una varietà di fonti energetiche, tenendo conto che la necessità di contenere le emissioni di gas serra imporrà di ridurre gradualmente il ricorso ai combustibili fossili a favore di fonti alternative e rinnovabili. In questo quadro, la fusione nucleare può dare un importante contributo: la ricerca sulla fusione A due passi dal futuro: ITER Le prospettive della fusione 2
Buono a sapersi! nucleare ha infatti l obiettivo di rendere disponibile una fonte di energia inesauribile, rispettosa dell ambiente, sicura ed economicamente competitiva. L idea è quella di sfruttare l enorme energia che viene rilasciata nelle reazioni di fusione nucleare in cui nuclei di atomi leggeri fondono per dar luogo a nuclei più pesanti. Questo è il meccanismo fisico che alimenta il sole e tutte le stelle. L ENEA, Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente, è un ente pubblico che opera nei settori dell energia, dell ambiente e delle nuove tecnologie. L ENEA svolge attività di ricerca scientifica e sviluppo tecnologico nel campo della fusione, avvalendosi di competenze ad ampio spettro e di avanzate infrastrutture impiantistiche e strumentali presso il Centro di Ricerca di Frascati ed altri centri dislocati in tutta Italia. L energia è e sarà essenziale popolazione della Terra ha rag- Le Nazioni Unite stimano che la popolazione del nostro pianeta dovranno mangiare, vivere, lavorare, abitare e avranno bisogno di elettricità. La sfida dei nostri giorni è riuscire a far fronte all aumento di domanda di energia previsto per i prossimi decenni riducendo le emissioni di gas nocivi per l ambiente. Questa sfida si può affrontare e vincere solo con la ricerca scientifica e l innovazione tecnologica. La fusione può contribuire alla creazione di un ulteriore fonte di energia sicura e inesauribile. 3
Accendere una stella sulla Terra Buono a sapersi! IL SOLE LA MATERIA DIVENTA ENERGIA Ogni giorno luce e calore ci giungono dal sole: un immensa centrale che produce energia nellate di idrogeno al secondo e convertendolo in elio tramite reazioni di fusione nucleare. Nel sole e nelle altre stelle, la forza gravitazionale comprime il gas di nuclei di idrogeno ed elettroni a valori di pressione e temperatura così elevati che i nuclei di idrogeno possono avvicinarsi al punto di fondersi, nonostante la repulsione coulombiana. In questo tipo di reazione il nucleo prodotto ha massa totale minore della somma delle masse reagenti. Questa differenza si presenta sotto forma di energia che conferisce al processo caratteristiche fortemente esotermiche. La fusione è il processo nucleare che alimenta il sole e le altre stelle. Tale processo consiste nell unione di nuclei a basso numero atomico in nuclei più pesanti. Il sole ha una temperatura centigradi grazie a reazioni di fusione, in ciascuna delle quali quattro nuclei di idrogeno, cioè protoni, vengono trasformati in un nucleo di elio. Attualmente il sole ha un età di poco anni, e vivrà ancora per circa esaurire completamente tutto il suo combustibile. Protone Neutrone Nucleo di Elio Positrone Energia Radiazione Gamma 4
L ENERGIA DELLA FUSIONE SULLA TERRA E possibile riprodurre un piccolo sole sulla Terra realizzando un gas di idrogeno pesante, deuterio e trizio, e scaldandolo a temperature superiori nel sole per compensare l assenza dell attrazione gravitazionale. Buono a sapersi! In queste condizioni il gas si accende: l energia liberata nelle reazioni di fusione è tale da sostenerne la temperatura senza bisogno di riscaldamento esterno. Energia Nucleo di Trizio Nucleo di Elio I fisici dicono dell energia: nulla si crea e nulla si distrugge ma tutto si trasforma. Anche il processo di fus ione nucleare avviene nell assoluto rispetto di questo principio di conservazione. Nucleo di Deuterio Protone Neutrone Energia infatti, ha compreso e dimostrato che il principio di conservazione coinvolge la materia-energia considerate non più come due realtà sepa rate, dato che l una può trasformarsi nell altra secondo la relazione matematica E=mc in cui E rappresenta l energia, m la materia, e c la velocità della luce. 5
Gli strumenti della fusione Buono a sapersi! nucleo UN GAS MA NON SOLO! La fusione tra deuterio e trizio avviene quando questi ultimi sono allo stato di plasma. Un plasma è un gas ionizzato, costituito da elettroni e da ioni positivi. Il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e il gas. Le cariche elettriche libere fanno sí che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici. Mentre sulla terra la presenza del plasma è relativamente rara, ad eccezione dei fulmini, delle aurore boreali e delle fiamme, nell universo costituisce più conosciuta: di plasma sono fatti il sole, le stelle e le nebulose. protone neutrone elettrone UGUALE MA DIVERSO Per ogni elemento esistente in natura, l atomo è la più piccola parte che ne conserva le caratteristiche chimiche. L atomo è composto da un nucleo carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli vibrano attorno nei cosiddetti gusci elettronici. Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica. In proporzione, se si considera il nucleo grande come una mela, gli elettroni gli ruotano attorno ad una distanza pari a circa un chilometro. idrogeno comune deuterio idrogeno pesante trizio idrogeno radioattivo Due atomi che han no lo stesso numero di protoni e diverso numero di neutroni sono detti isotopi dello stesso elemento. Esistono tre isotopi dell idrogeno: oltre all idrogeno più comune, in natura esiste anche il deuterio, in minore quantità, con il quale si forma l acqua pesante. Il trizio è estremamente raro, perché radioattivo, e decade proprietà chimicamente identiche ma fisicamente diverse. 6
3 4 Buono a sapersi! UNA GABBIA MAGNETICA Negli esperimenti di fusione, il plasma può essere confinato all interno di gabbie magnetiche. La configurazione magnetica più studiata è il tokamak in cui il plasma assume la forma camera da vuoto simile ad una ciambella chiamata toro. I campi magnetici che confinano il plasma sono generati da bobine viene indotta nel plasma stesso per mezzo di un trasformatore anche un primo riscaldamento del plasma per effetto Joule. 2 1 I campi magnetici sono di due tipi: il campo toroidale, diretto lungo l asse del toro, che vincola le particelle cariche a fluire lungo quella direzione, e il campo magnetico poloidale che si avvolge intorno al plasma contribuendo a contenere le particelle cariche e a controllare la posizione del plasma all interno della camera da vuoto. mandosi, formano come una gabbia chiusa, capace di confinare il plasma nella forma e nella posizione volute. Particelle con carica elettrica di pari segno si respingono a causa della forza coulombiana. Per avvicinarle occorre fornire loro energia. Per fare ciò, il modo più semplice consiste nell aumentare la temperatura del sistema. La temperatura è, infatti, proporzionale all energia cinetica media delle componenti elementari di una sostanza. I plasmi si formano a partire da temperature di alcune migliaia di gradi centigradi. A temperature di decine di milioni di gradi centigradi alcuni nuclei hanno energia cinetica sufficiente per innescare una reazione di fusione. Non c e materiale sulla Terra che resista a temperature cosi alte. Le particelle cariche possono però essere confinate da campi magnetici che formano una prigione a tre dimensioni da cui le particelle cariche non possono uscire. 7
Buono a sapersi! L Esperimento Frascati Turbu- nel Centro ENEA di Frascati di esperimenti dedicati allo studio di plasmi densi e di breve durata, FTT fu il primo tokamak realizzato in Italia e il secondo in Europa occidentale. Il diametro del toro era di L esperimento si proponeva lo studio del riscaldamento turbolento del plasma in una configurazione toroidale. I Laboratori ENEA di Frascati STUDIARE I PLASMI PER UN REATTORE alta densità di particelle in cui vengono prodotti e studiati plasmi simili a quelli che si avranno nel reattore a fusione. In particolare, l obiettivo di FTU è quello di esplorare il riscaldamento del plasma con sistemi a microonde. Un primo riscaldamento del plasma avviene per mezzo dell effetto Joule dovuto alla corrente che circola al suo interno. Occorre tuttavia ricorrere a sistemi di riscaldamento addizionale per raggiungere le gradi centigradi. In FTU si conducono esperimenti per studiare e ottimizzare le condizioni per la fusione nei plasmi. 8
Buono a sapersi! giovane fisico Bruno ebbe l incarico da Edoardo Amaldi di avviare le ricerche della fusione in Italia. Brunelli fu il primo direttore dei Laboratori Gas Ionizzati dell ENEA. Sotto la sua guida, laboratori svolsero un lavoro pionieristico sulla fusione perseguita prima con campi magnetici impulsati, poi con esplosivi convenzionali, infine con l uso dei laser. Russi annunziarono un importante successo ottenuto con una macchina cosiddetta Tokamak. I laboratori diretti da Brunelli raccolsero la sfida e alcuni anni dopo raggiunsero parametri record con i plasmi del Frascati Tokamak. Cominciava così quell impresa che univa tutti i paesi della comunità europea nella ricerca sulla fusione, in cui gli studiosi di Frascati hanno avuto un ruolo di primo piano, e che ha portato l Europa all avanguardia di questi studi. 9
La macchina FRASCATI TOKAMAK UPGRADE FTU è un tokamak di medie dimensioni, ha un raggio di Per il riscaldamento e il controllo del plasma, in FTU sono installati tre diversi impianti a microonde. Ci sono inoltre sistemi diagnostici per la misura della densità del plasma, la temperatura, il grado di purezza, il campo elettrico e magnetico, la radiazione emessa in tutto lo spettro elettromagnetico, le particelle emesse, le particelle generate nelle reazioni di fusione. In FTU si studiano e ottimizzano le condizioni per la fusione nei plasmi per il futuro reattore sperimentale. Si stanno anche studiando nuovi regimi, cosiddetti avanzati, che mirano a migliorare ulteriormente le prestazioni in modo tale da poter ottenere la stessa potenza di fusione in modo più efficiente, e quindi più economico. 11
Tanti esperti, un obiettivo Buono a sapersi! realizzati. In ENEA si conducono attività di ricerca nel campo della su - per conduttività appli cata, finalizzata allo sviluppo di fili e cavi superconduttori, e alla progettazione di conduttori e magne ti ad alti campi magnetici. Negli ultimi anni le attività si sono concentrate nello sviluppo dei magneti superconduttori per il reattore sperimentale ITER, i più grandi mai STUDIARE, SPERIMENTARE, SVILUPPARE Per poter progettare un reattore a fusione occorrono studi e ricerche in campi della fisica, della tecnologia e dell ingegneria molto diversi. Per cominciare, è necessario capire i processi che hanno luogo in un plasma per poter ottenere i parametri desiderati. Questo richiede sofisticati e complessi sistemi di misurazione per registrare tutti i parametri del plasma, dalla temperatura al centro del plasma stesso, fino alle impurità in esso contenute. I dati ottenuti sono usati per la verifica di teorie e per lo sviluppo e la validazione di codici di calcolo che, simulando le prestazioni del plasma, serviranno alla progettazione di esperimenti futuri. L ENEA ha coordinato l attività europea per la realizzazione e i test di prova dei conduttori di due bobine modello di tali magneti. L ENEA è impegnata anche nello sviluppo della superconduttività ad alta temperatura, che trova applicazioni nel campo del trasporto e distribuzione di energia, e in quello dell elettronica, settori in cui si prevedono notevoli prospettive di impiego a breve termine. 12
Buono a sapersi! Occorre inoltre progettare e realizzare macchine molto complesse, le cui prestazioni sono sempre più spinte man mano che ci si avvicina alla realizzazione di un reattore. Occorrono magneti superconduttori molto potenti e di grandi dimensioni, materiali speciali in grado di sopportare il carico termico senza perturbare il plasma e, al tempo stesso, di mantenere inalterate le loro proprietà durante tutta la vita del reattore. Occorrono sistemi di riscaldamento efficienti in grado di portare il plasma alla temperatura di fusione, sistemi diagnostici molto particolari e potenti sistemi di alimentazione. Occorrono infine esperti in grado di progettare macchine integrando tutti questi diversi aspetti in un unico sistema. Nei laboratori dell ENEA sono stati sviluppati impianti e competenze in grado di coprire tutte queste sfide. I materiali interni alla camera da vuoto sono sottoposti a elevati flussi termici provenienti dal plasma sotto forma di calore e di particelle energetiche. E necessario assicurare l integrità dei componenti più esposti, l efficienza di rimozione del calore e, al tempo stesso, la compatibilità col plasma. L ENEA ha sviluppato soluzioni originali per la fabbricazione di questi com ponenti, mettendo a punto tecnologie di giunzione tra materiali diversi per il rivestimento degli scambiatori con materiali di sacrificio. Inoltre, i materiali utilizzati debbono an che presentare una bassa radioattività se sottoposti a irraggiamento neutronico. L ENEA conduce un importante programma sperimentale per lo studio delle proprietà nucleari dei materiali utilizzati per la fusione. 13
Il programma europeo Buono a sapersi! L interesse per lo studio dei plasmi inizia alla fine degli anni cinquanta, quando la Conferenza di Gine vra Atoms for peace sancisce l inizio degli studi per uno sfruttamento pa cifico del la fu sione nuclea re. Contemporanea è la costituzione dell Agenzia Inter nazionale per l Energia Ato mica Oggi la fisica del plasma è un settore in piena es pansione, non solo per quanto riguarda la fusio ne nucleare, ma anche le applicazioni in dustriali, per esempio il trattamento di superfici, il taglio al plasma, gli schermi al plasma, e la propulsione spaziale. UN VALORE AGGIUNTO Attraverso l Associazione EURA- TOM-ENEA sulla Fusione l Italia è parte rilevante del Programma Europeo sulla Fusione. Tale programma è condotto in tutti i Paesi europei e coordinato dall EURATOM attraverso Contratti di Associazione, in un quadro di cooperazione che assicura la complementarietà e la piena integrazione degli esperimenti nazionali, e il perseguimento di obiettivi comuni. Nell ambito del programma europeo vengono anche condotte iniziative comuni, quali la conduzione dello esperimento comunitario Joint Culham, Gran Bretagna, le attività di ricerca e sviluppo tecnologico e il contributo europeo alle collaborazioni internazionali, quali il progetto internazionale di reattore sperimentale ITER. Il programma europeo include attività di ricerca più a lungo termine su aspetti fondamentali quali l autosufficienza del combustibile trizio e lo sviluppo di 14
materiali strutturali a basso livello di attivazione e resistenti alle radiazioni. Buono a sapersi! è la macchina per la fusione più grande al mondo. Il suo Megawatt di potenza di fusione energia, operando con un plasma di deuterio-trizio e sperimentando alcune tecnologie necessarie per il funzionamento del reattore a fusione. Il JET è la macchina per la fusione più grande al mondo, ha operato con un plasma di deuterio-trizio e sperimentato alcune tecnologie necessarie per il funzionamento del reattore. Il JET ha confermato la fisica e le leggi di scala in regimi di plasma vicini a quelli che saranno realizzati nel prossimo reattore sperimentale ITER. 15
Il programma mondiale Buono a sapersi! ITER, con raggio maggiore di doppie rispetto al JET. L intera potenza di fusione per tempi zando in maniera integrata e provando tutti i componenti chiave per il funzionamento del reattore a fusione. A DUE PASSI DAL FUTURO: ITER reattore a fusione sperimentale alla cui realizzazione partecipano Europa, Giappone, Cina, India, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti. La sua missione è dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione come fonte di energia. Dopo più di un decennio di attività di progettazione, ricerca e sviluppo, la costruzione di ITER è stata avviata nel sito europeo di Cadarache La costruzione di ITER rappresenterà un impresa tecnologica ed ingegneristica comparabile con la costruzione di un reattore di potenza. La realizzazione di ITER richiederà un notevole contributo dell industria sia in aree convenzionali, quali l ingegneria edile, meccanica ed elettrica, sia in aree tecnologicamente 16
Buono a sapersi! più specialistiche. Il costo totale di costruzione è di ITER rappresenta una delle più grandi imprese scientifiche e tecnologiche dei prossimi decenni, una sfida entusiasmante per ricercatori e tecnologi, un opportunità di crescita e qualificazione per le società di ingegneria, le industrie manifatturiere ed altre imprese che avranno modo di partecipare alla sua costruzione. ITER produrrà energia in quantità da cinque a dieci volte superiore alla quantità necessaria per mantenere il plasma a temperatura di fusione, dimostrando in tal modo la fattibilità dell energia di fusione e della combustione continua. I risultati con seguiti nei numerosi esperimenti di fusione condotti nel mondo a FTU, hanno fornito la base scientifica per la realizzazione di ITER. La sua progettazione ha richiesto anche un grande salto tecnologico, compiuto attraverso la costruzione e la prova di prototipi di tutti i componenti più critici, dalle bobine dei magneti superconduttori ai componenti es posti al plasma. Per ulteriori informazioni: www.iter.org 17
Buono a sapersi! Nel caso della fusione, il com bustibile è disponibile in quantità praticamente illimitate ed uniformemente distribuite sulla Terra. Il deuterio può essere estratto dall acqua: quasi non esiste in natura e può essere prodotto in un ciclo chiuso all interno del reattore a partire dal litio. Il litio è molto ab bondante nella crosta terrestre. Dieci grammi di trizio sono sufficienti a fornire energia per un giorno ad una città di o ad un uomo per l intera sua vita. Usare l energia della fusione sarebbe molto efficiente: da un grammo di combustibile si potrebbe produrre la stessa quantità di energia da LE PROSPETTIVE DELLA FUSIONE L obiettivo a lungo termine della ricerca e sviluppo nel campo della fusione dell Unione Europea è creare insieme reattori prototipi per centrali di potenza che possano soddisfare le necessità della nostra società: sicurezza di funzionamento, compatibilità con l ambiente, fattibilità economica. La strategia per raggiungere questo obiettivo, oltre ITER, include un reattore dimostrativo, DEMO, capace, per la prima volta, di generare quantità significative di elettricità e di essere autosufficiente nel ciclo del trizio. La costruzione di ITER e, più tardi, di DEMO, richiede attività di sviluppo nella fisica e nella tecnologia, da compiere nei laboratori di ricerca specializzati sulla fusione, come quelli, dell ENEA, e nelle università. 18
Buono a sapersi! Parallelamente agli aspetti tecnici della fusione, una serie di studi a tutto campo dedicati alla sicurezza e agli aspetti socioeconomici ha esaminato approfonditamente l impatto dell energia di fusione. Da questi lavori si può dedurre che le future centrali elettriche a fusione avranno un funzionamento sicuro e non creeranno rischi per la popolazione né costituiranno un significativo onere am - bientale a lungo termine. Le centrali elettriche a fusione potrebbero essere introdotte entro la metà del secolo e potrebbero raggiungere una quota significativa della produzione di elettricità nel corso della seconda metà. 19
ENEA Dipartimento Fusione, Tecnologie e Presidio Nucleari Associazione EURATOM ENEA Centro Ricerche Frascati, Via Enrico Fermi, 45 00044 Frascati (Roma) Italia Contatti telefono: 0039 (06) 9400-5739 (5407) fax: 0039 (06) 9400-5571 email: batistoni@frascati.enea.it internet: www.fusione.enea.it Redazione Dr. Petra Nieckchen, Dr. Paola Batistoni Menabò Dr. Petra Nieckchen Luglio 2007