Fusione a confinamento inerziale

Documenti analoghi
La fusione. Lezioni d'autore. di Claudio Cigognetti

Formazione e ricerca sull energia da fusione termonucleare

FUSIONE NUCLEARE La via verso il reattore

RICERCA SCIENTIFICA ed ENERGIA DEL FUTURO

Introduzione ai Plasmi Relativistici

IL PROGETTO ITER. dalla fusione nucleare l energia per il nostro futuro. Opportunità per le imprese. Alessio Misuri Dintec. Ferrara, 21 novembre 2008

Fissione indotta e fusione nucleare (cenni)

Fusione termonucleare controllata e High Performance Computing. S. Briguglio, G. Fogaccia e G. Vlad ENEA Frascati

Il programma Ignitor

LA FUSIONE TERMONUCLEARE (appunti presi dal sito dell Enea:

Il Sole: struttura e produzione di energia

il CNR: il più grande ente pubblico italiano di ricerca Fondato nel 1923 (novantesimo compleanno nel 2013)

E = MC². È: Una forma di energia che deriva da profonde modificazioni della struttura stessa della materia. ENERGIA NUCLEARE

Stato e Prospettive delle Ricerche sulla Fusione Termonucleare Controllata

FTC - Metodi di Confinamento

Steven Weinberg. Marco Gentilini: Impianti Nucleari. Energie Rinnovabili. Conversione Diretta 1

Paolo Buratti. Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione, Frascati, Italy

La strada percorsa e il futuro

Le reazioni di fusione. 1 kev = K

Corso di laboratorio di fisica della materia Prof. Mario Rocca AA Il progresso delle conoscenze in Fisica è indissolubilmente legato al

PLASMI IN ASTROFISICA E IN LABORATORIO

Teoria Atomica di Dalton

SOMMARIO DEL CURRICULUM VITAE DI ENZO BERTOLINI

La Fusione Nucleare. Il sole dell avvenire. M.Samuelli UTS Fusione

Italian ITER Business Forum La Partecipazione Italiana al Programma Internazionale sulla Fusione

Extreme Light Infrastructure ELI

Valutazione di Emulsioni Acqua-DMA in un Motore Marino Ausiliario

Risultati di simulazioni con un codice ibrido Magnetoidrodinamico- Girocinetico (MHD-GK)

CNR INO Istituto Nazionale di Ottica

Le onde elettromagnetiche

Tesi di Laurea I livello

Riccardo Di Liberto Struttura Complessa di Fisica Sanitaria Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo -Pavia

Fusione indotta da cavitazione: esiste? for Acoustically-inducedinduced nuclear Fusion

Nane bianche e stelle di neutroni. di Roberto Maggiani

Theory Italiano (Italy)

L elettromagnetismo nella ricerca per l energia da fusione nucleare di plasma d idrogeno

Evoluzione stellare: dalla nascita di una stella alla sua fine. Serafina Carpino

L origine degli elementi chimici: Le fornaci stellari. Lezioni d'autore

Aspetti di Elettromagnetismo Applicato nella Fusione Termonucleare Controllata

Seminario del 25/09/08 su nucleare per l energia. ( R.Petronzio, presidente dell Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

DEIS ESPOSIZIONE AI CAMPI ELETTROMAGNETICI

L energia nella scuola. Enzo De Sanctis INFN-Laboratori Nazionali di Frascati Societa Italiana di Fisica

Energia solare. Prof.ssa Matilde Pietrafesa

Come costruire un computer quantistico

Contesto economico. qualche numero. Giovanni Ajassa Responsabile Servizio Studi Milano, 18 ottobre 2012

La misura della temperatura

Emissione α. La sua carica elettrica è pari a +2e La sua massa a riposo è circa 7x10-27 kg.

UNITA di MISURA e DIMENSIONI delle OSSERVABILI FISICHE. UdM 1

Esperimenti di Fisica Contenuti

L Universo secondo la Fisica moderna

Le reazioni chimiche. Lezioni d'autore di Giorgio Benedetti

2050: il ruolo della ricerca in fisica delle alte energie

E= mc2 Nel 1905 Einistein enunciò la sua teoria tra energia e materia, espressa dalla formula E=mc2

Università degli Studi di Milano. Percorsi della laurea Magistrale in Fisica

Scuola Politecnica - DEIM ANNO ACCADEMICO CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO

LE GRANDEZZE FISICHE. Misura di una grandezza

CO 2 : DA GAS SERRA A MATERIA PRIMA PER LA PRODUZIONE DI SOSTANZE UTILI. Fabrizio Mani UNIVERSITA DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI CHIMICA

ESERCIZI SCIENZE: SISTEMA SOLARE

TECNICHE SPETTROSCOPICHE

Il Progetto Lauree Scientifiche 2

NOZIONI PRELIMINARI ENERGIA NUCLEARE ATOMO ISOTOPI RADIOATTIVITÀ

CATALOGO DI PRODOTTO PRECITEC LR. Sensore ottico per misure di massima precisione

LE GRANDEZZE FISICHE

Cosa alimenta le stelle? Stefano Covino INAF / Osservatorio Astronomico di Brera

Ricerca sulla fisica dei plasmi e della fusione termonucleare a Padova

ENERGIA NUCLEARE CAPITOLO 4: L ECONOMIA. A cura di Ginevra A. Perelli mostra.nucleare@gmail.com. 20 Maggio 2011

CONVEZIONE, CONDUZIONE E IRRAGGIAMENTO

INFORMAZIONI PERSONALI

motors - Servomotori per applicazioni speciali Potenti Compatti Efficienti

Tracciamento di raggi cosmici con il telescopio EEE Esperienza 1

Misura della velocita di deriva degli elettroni nella miscela gassosa di un rivelatore di particelle a filo. P. Campana M. Anelli R.

TAGLIO E SALDATURA LASER

Valitutti, Falasca, Tifi, Gentile. Chimica. concetti e modelli.blu

Fonti alternative di energia. Presentato da Mauro Vignolini

LASER PRINCIPI FISICI

CURRICULUM ASTRONOMIA E ASTROFISICA

La ricerca sulla fusione a Padova

Energia delle stelle, energia dalle stelle

Impianti nucleari attuali e futuri nella UE

SOLE, struttura e fenomeni

La tecnologia XRF Per l analisi dei minerali si adottano tecniche sofisticate (assorbimento atomico oppure l ICP) con costi di diverse decine di euro

LA STRUTTURA DELL ATOMO

INAF - OSSERVATORIO ASTROFISICO DI CATANIA

IT Gazetta ufficiale dell'unione europea L 159/ 19 VALORI LIMITE DI ESPOSIZIONE E VALORI DI AZIONE PER I CAMPI ELETTROMAGNETICI

Scenari internazionali: opportunità per le imprese. Claudio Colacurcio, Prometeia spa

LA FISSIONE NUCLEARE. Dinamica ed effetti. Prof. Angelo Vitale

Lavastoviglie SCHEDA ULISSE. Prodotto. Dicembre Codice Prodotto Ulisse: UL842211

Lezione 15 Geometrie lineari di confinamento magnetico

Le tecnologie disponibili per l efficienza energetica nel settore del riscaldamento: analisi comparativa

Relatività Ristretta e Meccanica Quantistica: alcuni esperimenti cruciali. Lezione 1. Genova, 12,13,19,20 Gennaio 2016

Corso di Studi in Scienze Naturali Corso di Chimica Generale e Inorganica Dott.ssa Maria Cristina Paganini Prof. Elio Giamello

Le centrali nucleari

Spettroscopia. Spettroscopia

Università dell Aquila - Ingegneria Prova Scritta di Fisica Generale I - 03/07/2015 Nome Cognome N. Matricola CFU

Fotoni ed atomi: un breve viaggio nel mondo quantistico

Frasca&, 23 se,embre 2009 Se3mana della Scienza

Scenari energetici futuri Prospettive della energia nucleare. G. Turchetti Dipartimento di Fisica e Centro Galvani UNIBO INFN Sezione di Bologna

E=mc². E n e r g i a ENERGIA NUCLEARE

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Sezione Aerospaziale. Convenzione Università di Pisa DeltaTech del 26/03/2014

Gli acceleratori di particelle

Transcript:

Fusione a confinamento inerziale Stefano Atzeni Dipartimento di Energetica, Università di Roma La Sapienza Tavola Rotonda Fusione nucleare: storia e prospettive - confinamento magnetico o inerziale? BergamoScienza 2006; Bergamo, 30 settembre 2006

Sommario Principi fisici Schemi realizzativi Un po di storia Il prossimo passo: la dimostrazione dell ignizione Dalla dimostrazione scientifica al reattore Chi la studia, dove; la situazione italiana HiPER: avvio di un primo grande progetto collaborativo europeo Fusione inerziale e fusione magnetica

Produzione di energia tramite fusione nucleare controllata combustibile: miscela di deuterio e trizio (idrogeno pesante) (forse in futuro anche altri combustibili) condizioni necessarie: elevatissima temperatura (100 000 000 K) confinamento: il materiale deve essere tenuto assieme per un tempo sufficientemente lungo, in modo che le reazioni producano più energia di quanta ne viene spesa per riscaldare

Fusione a confinamento inerziale Reazioni di fusione da una piccola quantità (milligrammi) di combustibile (DT), contenuta in un bersaglio, fortemente compressa (1000 volte la densità del solido!) riscaldata ad altissima temperatura (100 000 0000 K) pressioni di miliardi di atmosfere; nessun confinamento esterno => il combustibile è confinato solo dalla sua stessa inerzia brucia in modo esplosivo per una frazione di miliardesimo di secondo Processo impulsivo (microesplosione) è necessario fornire energia ciclicamente tramite un driver la massa del combustibile è limitata dalla necessità di contenere l esplosione in un reattore (1 mg di DT rilascia 340 GJ, come l esplosione di 85 kg di tritolo)

il ciclo energetico il bersaglio deve moltiplicare l energia assorbita per un fattore G = 100 (o forse 50) G η D > 10

Lo schema più semplice: driver: fasci laser bersaglio: guscio sferico

Il principio dello schema classico

Qualche numero (per un futuro reattore) Bersaglio (guscio) massa: qualche milligrammo raggio: 1 3 mm spessore = 0.1 x raggio impulso laser Energia: 1.5 MJ ( 0.4 kwh) Durata: 10 20 miliardesimi di secondo (10 20 ns) potenza di picco: 400 000 miliardi di watt Intensità massima: 10 19 W/m 2 radiazione ultravioletta o blu Energia di fusione prodotta 100 volte l energia dell impulso laser

NIF: un laser da 2 MJ per la fusione, in costruzione presso il Lawrence Livermore National Laboratory filmato dal sito del LLNL:

NIF: come funziona il laser filmato dal sito del LLNL:

dal sito del LLNL: NIF: i fasci laser convergono nel reattore

Simulazione numerica del bersaglio di un futuro reattore con un programma di calcolo(*) che riproduce i risultati degli attuali esperimenti (*) programma DUED, S. Atzeni et al.

Irraggiamento, implosione, compressione, reazione densità (g/cm 3 ) 10-4 10-1 10 2 temperatura (K) 10 2 10 5 10 8 3 mm 3 mm S. Atzeni, 1992 intervallo di tempo simulato = 25 miliardesimi di secondo = 25 ns

Zoom (in spazio e tempo): ignizione, compressione, esplosione Densità Temperatura 0.15 mm 0,15 mm intervallo di tempo simulato = 0.5 miliardesimi di secondo S. Atzeni, 1992

Per ottenere compressione e riscaldamento centrale l implosione deve essere quasi perfettamente simmetrica ===> illuminazione uniforme (di una sfera!) ma non basta! la natura si oppone in tutti i modi alla compressione ====> instabilità ====> prossima animazione

Instabilità (di Rayleigh-Taylor) durante la fase di formazione dell hot-spot S. Atzeni e A. Schiavi, 2004 evoluzione della temperatura

Instabilità (di Rayleigh-Taylor) durante la fase di formazione dell hot-spot S. Atzeni e A. Schiavi, 2004 evoluzione della densità

Se le perturbazioni crescono oltre un certo limite non si forma l hot spot E uno degli aspetti più critici e più studiati della fusione inerziale Pone un limite inferiore all energia del driver necessaria per l ignizione

Un po di (pre-i-)storia 1952-55: la fusione funziona su grande scala (bombe H) fine anni 50: teoria delle mini-esplosioni: paradossalmente, esplosioni controllabili richiedono driver particolarmente intensi e progettazione accuratissima 1960: primi laser 1960-62: concetto di fusione laser: Kidder, Nuckolls, Colgate negli USA, Sakharov e Basov in URSS 1963-64: creazione di plasma con laser (anche a Frascati) 1963-64: Kidder: necessari laser da 500 kj 1972: illusione: forse bastano pochi kj fine anni 70: consenso (da allora immutato) su laser da circa 1 MJ

1960: primi laser 1963-1964: primi esperimenti laser-plasma a Frascati

Storia moderna della fusione inerziale anni 70: prime implosioni fine anni 70: pessimo assorbimento della luce laser infrarossa inizio anni 80: sviluppo laser a luce visibile e u.v. buon assorbimento, generazione di alte pressioni 1988-1992: misurate elevatissime compressioni (x 600), elevatissime temperature primi anni 90: comprese, misurate, simulate le instabilità, sviluppate tecniche di misura con risoluzione spazio-temporale elevatissima (micron - picosecondo) 1992-94: dati disponibili per iniziare a progettare esperimenti di ignizione 1994: primi laser ultra-intensi e schema di ignizione veloce ------------------------- nota: fino al 1993 molte ricerche coperte da segreto militare (USA, URSS, F, GB)

NOVA (LLNL), il più potente laser degli anni 80 (impulsi fino a 50 kj)

laser ABC, ENEA-Frascati (1985) laboratorio LULI (Ecole Polytechnique)

progresso nelle tecnologie dei laser, dal 1961 al 1997

crescita della potenza dei laser per la fusione

Ottenute in esperimenti distinti temperature e densità necessarie per l ignizione (maggiori di quelle al centro del sole!) Per l ignizione, necessari laser più potenti, in grado di comprimere e riscaldare simultaneamente una quantità abbastanza grande di combustibile ===> NIF (già visto), LMJ,...

Prossimo passo: IGNIZIONE: su quali basi? Gli esperimenti citati poco fa Le simulazioni numeriche (che riproducono gli attuali esperimenti) La consapevolezza che, su scala maggiore, lo schema funziona; quindi la realizzazione in laboratorio non è una questione di principi fisici, quanto di progresso tecnico La disponibilità di tecnologia laser, di strumentazione, etc.

Esperimenti di ignizione: Dall ignizione al reattore Una strada lunghissima, ma già avviata Obiettivo: ignizione, con moltiplicazione G > 10, impiegando laser con rendimento dell 1% che effettuano pochi spari al giorno, usando bersagli che costano più di 1000 $ ciascuno Reattore: Necessari: moltiplicazione G > 100, impiegando driver con rendimento del 10% che effettuano 5 spari al secondo, usando bersagli che costano meno di 1 $ ciascuno!

Uno dei molti concetti di reattore Sono già in corso azioni di ricerca e sviluppo su tutti i componenti

Altro possibile driver: acceleratore di ioni pesanti

Lo sforzo internazionale sulla fusione inerziale Grandi programmi (> 300 Meuro/anno) : USA e Francia (in parte notevole finanziati da organismi militari, ma con notevoli componenti civili, universitarie, etc.) Medi programmi (qualche decina di Meuro/anno): GB, (con numerosi laser di varie dimensioni, e grande partecipazione di giovani), Giappone, Russia Programma più piccolo, ma di frontiera su alcuni temi: Germania Piccole attività: Polonia, Rep. Ceca, Spagna, Portogallo, Corea, India

E in Italia? Attività sperimentale pioneristica a Frascati negli anni 60, poi interrotta; ripresa nel 1977, ma senza essere più competitiva Vari tentativi di rilancio, non sviluppatisi (promossi anche da Rubbia e Ricci, collab. europea per studi su fusione con acceleratori di ioni pesanti) Attività teorica di piccole dimensioni, ma ancora internazionalmente riconosciuta (prima Frascati, ora Roma; su qualche tema Pisa); collaborazione richiesta da alcuni fra i maggiori laboratori europei e americani. Sviluppate in Italia teoria dell ablazione, dell ignizione, studi importanti su simmetria e stabilità, interazione laser ultra-intensa; programmi di calcolo competivi. Piccole attività sperimentali a Pisa e Milano. Piccolissimi nuclei partecipano a collaborazioni ed esperimenti all estero (con finanziamenti esteri). Giovani eccellenti senza possibilità di impiego in Italia, richiesti in UK, F, USA! Finanziamenti Euratom per Frascati; piccoli programmi ministeriali per gli altri gruppi.

Schema alternativo : ignizione veloce si usano due diversi laser per comprimere prima e riscaldare poi proposto da M. Tabak nel 1993 condizioni di ignizione calcolate da S.A. (1996, 1999)

simulazione di ignizione veloce (Fast ignition) S. Atzeni and M. L. Ciampi, 1996 Potenzialmente più efficiente dello schema standard non risente troppo delle instabilità, ma richiede un impulso ultra-intenso: 10 24 W/m 2 = 20 kj in 20 ps, focheggiati su 40 µm! oggi possibile grazie a progressi nelle tecniche laser

S. A., C. Bellei, A. Schiavi, 2005

Primi esperimenti promettenti (Osaka, Rochester)

Estrapolando (con un certo coraggio!) i risultati degli ultimi esperimenti si può sperare di ottenere l ignizione con laser molto più piccoli di NIF (anche se più complessi) previsioni (ottimistiche) di Mima e Nakai (2004) esperimenti cruciali programmati (2009-10) presso i laser di Osaka e di Rochester

Una nuova proposta europea: HiPER, un laser per l ignizione veloce idea: 2005-6 pre-progetto: 2007-2010 costo: 750 milioni di euro? nell attuale fase leadership italiana di due dei sei/sette gruppi di lavoro per proseguire, necessario sostegno governativo!

Fusione inerziale e fusione magnetica I pro della fusione inerziale (schema classico): fenomeni di base compresi e simulabili senza estrapolazioni separazione fisica dei componenti del reattore impiego dei laser anche per esperimenti non fusionistici contro grande distanza ignizione-reattore finora ridotta collaborazione internazionale In comune tra fusione magnetica e inerziale tecnologie nucleari molta fisica dei plasmi e tecniche di misura

Applicazioni dei laser a impulsi ultraintensi Con laser a impulsi intensi: nella materia irraggiata, valori record di pressione ( > milioni di atm) densità ( 600 x materia solida) campo elettrico (1000 000 000 000 V/m) campo magnetico (100 000 000 gauss) Astrofisica in laboratorio Campi magnetici ultraintensi Accelerazione di particelle Chimica al femtosecondo Reazioni nucleari Laser a raggi X Lavorazioni di precisione, applicazioni mediche

Per saperne di più

Grazie per l attenzione