La strada percorsa e il futuro La linea Tokamak Francesco De Marco Associazione ENEA-EURATOM sulla Fusione UTS Fusione
I giovedì della cultura scientifica-18 Settembre 2003
In un toro le particelle sono perse per una lenta deriva verso le pareti Il Tokamak In un tokamak il confinamento viene dato da sovrapposizione di un forte campo magnetico toroidale generato dall esterno e da un campo magnetico poloidale generato dalla corrente di plasma.
IL TOKAMAK Sezione del plasma Camera da vuoto e divertore
Storia (1) Le ricerche sulla fusione iniziarono negli anni 50. Furono declassificate con la conferenza di Ginevra del 1958. Alla fine degli anni 60 i russi annunciarono che il tokamak T-3 raggiungeva alte temperature e tempi di confinamento di circa 20ms, molto più grandi che quelli di altri esperimenti. Le misure russe erano indirette. Furono confermate da una squadra di scienziati inglesi che eseguì sul T-3 misure mediante scattering di luce laser (metodo nuovo per quei tempi).
Storia (2) Da allora decine di tokamak hanno operato e operano nel mondo. In particolare in Italia: Thor (CNR-Milano, non più operativo), FT(ENEA-Frascati, non più operativo), FTU (ENEA-Frascati, in operazione). I paesi europei hanno costruito e gestito in comune il più grande tokamak nel mondo, il JET a Culham(R.U.).
Qual è il fine dell attività di ricerca? Costruire un reattore sicuro, ragionevolmente pulito e accettabile dal punto di vista ambientale, economicamente attrattivo.
Schema di principio del reattore
Figure A-1: Fusion power plant, general layout. 137
Problemi scientifici (1) Controllare grandi volumi di plasma per tempi lunghi o in continua. Massimizzare il valore di β= Pressione del plasma Pressione magnetica Infatti potenza di fusione ß 2 xb 4 xvolume (B Campo Magnetico)
Problemi scientifici(2) Riscaldare il plasma alle temperature necessarie ( 10 20keV; 1keV 10 7 K) Ottenere tempi di confinamento dell ordine del secondo nei regimi di interesse per il reattore Metodi di riscaldamento del plasma
Risultati (1) Controllo dell equilibrio e della forma di grandi volumi di plasma per tempi molto lunghi,diversi minuti, in alcuni casi di ore.
PLASMA EQUILIBRIUM SHAPE CONTROL IS A HIGHLY DEVELOPED SCIENCE 2.7 1.9 1.5 1.2 DIII D TCV 2 uis : EQA_11320.001 t=1.500 (s) 0.6 0.4 1 Z (meters) 0.2 0 0.2 Z (m) 0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 X (meters) PBX M JT-60 1 2 2 3 4 R (m) JT 60U 5 ASDEX UPGRADE 219-00/rs MFE Tokamak
Risultati (2) Negli anni 80 si è scoperto che i sistemi di riscaldamento del plasma possono anche generare la corrente di plasma. Il progresso della comprensione e l abilità operativa ha permesso sia generazione della corrente totale (possibilità di tokamak stazionari!), sia generazione locale di corrente (controllo del profilo spaziale della corrente).
Risultati (3) Questo notevole risultato non ancora sufficiente per un reattore economico perché l efficienza Ampere/Watt troppo bassa. Negli anni 70 si previde teoricamente che i plasmi toroidali con alte temperature possono autogenerare elevate correnti (correnti di bootstrap). Bootstrap dimostrato in accordo con le teorie negli esperimenti sui grandi tokamak degli anni 90 (temperature raggiunte fino a 40 kev)
Risultati (4) Trasporto di energia e particelle dovuto a turbolenza. Negli anni 80 si scoprì la prima barriera di trasporto, situata sul bordo della colonna di plasma (modo H) Oggi barriere di trasporto anche interne.
Per accendere il fuoco nucleare <nt> τ (m -3,keV,sec) 2 10 21 B 2 ß τ(tesla,%,sec) 100 <nt> media di nt sulla sezione del plasma
Raggiunti oggi valori di ntτ entro un fattore circa 3 da quello richiesto.
Tecnologia Le principali aree tecnologiche nel cammino verso il reattore sono: bobine superconduttrici il blanket triziogeno, i componenti affacciati al plasma e i materiali resistenti alla radiazione e che abbiano basse proprietà di attivazione.
Fisica e Tecnologia Progressi nella fisica devono essere accompagnati da progressi nella tecnologia. Esempio Fisica Reattori compatti Alti carichi energetici e neutronici sui componenti affacciati al plasma Ricerca sui materiali
Materiali Lo sviluppo di materiali con bassa attivazione sotto bombardamento neutronico e che operino ad alta temperatura (T 1000 C) permettono alte efficienze termiche ( 50%) e possono anche produrre direttamente idrogeno
Fisica e tecnologia per un reattore più attraente Il controllo della forma del plasma e della distribuzione spaziale della corrente permettono regimi con alto ß e con barriere di confinamento anche interne. I progressi della fisica in parallelo ai progressi della tecnologia portano a un reattore più compatto e quindi più economico.
Progetti di reattori modello mostrano chiaramente questa tendenza. Filiera USA ARIES: evoluzione del raggio maggiore Filiera UE: evoluzione della sezione del plasma (A B C D Progressi in scienza e tecnologia)
Vista del reattore modello ARIES-AT 2m 4m
Studi socio-economici(1) Il costo del reattore deriva in massima parte dal costo dell impianto Gli studi s.e. hanno valutato il costo dell elettricità da fusione e gli scenari di inserimento della fusione nella produzione di energia. Ai risultati sui costi manca la verifica di un prototipo operante. Il confronto con il progetto ITER ha diminuito il margine di incertezza
Studi socio-economici(2) Questi studi affermano che i costi diretti dell elettricità da fusione non sono distanti da quelli di fonti rinnovabili tipiche. I costi esterni della fusione sono trascurabili. Gli studi s.e. mostrano che la penetrazione della fusione dipende non solo dai suoi costi diretti, ma anche dall atteggiamento della società verso le fonti di energia ( limiti alla produzione di CO2, diffidenza verso la fissione, scorie)
CONCLUSIONI (1) La fusione può dare un contributo nella seconda metà del secolo. I reattori forniranno elettricità di base e nel caso più favorevole potranno produrre anche direttamente idrogeno
CONCLUSIONI (2) Le centrali a fusione sono intrinsecamente sicure Con un appropriata scelta dei materiali le scorie della fusione non costituiranno un problema di lungo termine per le generazioni successive a quella che ha prodotto le scorie stesse. Nello spirito dello sviluppo sostenibile