#1 f. villone, la fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive fabio villone...

#1

F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive

Fabio Villone

Associazione EURATOM/ENEA/CREATEDIEI

Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale

[email protected]

La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive

#2


Sommario• I problemi energetici e la fissione

nucleare

• Che cos’è la fusione

• Aspetti scientifici e tecnici della fusione

• La ricerca: breve storia e stato attuale

• Le prospettive future

#3


I problemi energetici e la fissione nucleare

#4


Le fonti energeticheI problemi energetici e la fissione

Il consumo di energia mondiale sta crescendo, specialmente nei paesi in via di sviluppo

World energy outlook 2011, www.eia.gov

#5


Come viene prodotta l’energia?

I problemi energetici e la fissione

Carbone

PetrolioGasVentoGeotermiaSolareIdroelettricaBiomasse

NucleareWorld energy outlook 2011, www.eia.gov

#6


Le energie non sono tutte uguali…


Possiamo continuare a produrre energia

elettrica con i combustibili fossili?

Possiamo realmente rimpiazzarli con le fonti “alternative”?

World energy outlook 2011, www.eia.gov

#7


Problemi con i combustibili fossili

• Inquinamento (gas serra, piogge acide)• Risorse limitate (modello di Hubbert)• Localizzazione geografica (problemi

geopolitici)


#8


Vantaggi Svantaggi

I droelettrica Pulita,no CO2 costruzione dighe limiti geografici variabilità temporale

Eolica Pulita,no CO2 alto numero di generatori rumorosità limiti geografici variabilità temporale

Geotermica Pulita,no CO2 limiti geografici

Solare Pulita,no CO2 alto numero di celle solari limiti geografici variabilità temporale

Nucleare no CO2 Vedi oltre…

Le fonti “alternative”

Possono realmente sostituire completamente i combustibili fossili ?


#9


La fissione nucleare /1

La fissione nucleare consiste nello

“spaccare” un atomo “pesante” (uranio-235) in prodotti più

“leggeri” bombardandolo con

neutroni di opportuna energia

Questo processo produce energia grazie al difetto di

massa (vedi oltre)E’ una reazione a catena:

autosostenuta dai neutroni prodotti da ogni fissione

(opportunamente “rallentati” dai cosiddetti

moderatori)


#10


La fissione nucleare /2I problemi energetici e la fissione

• Problema#1. L’uranio è scarso• Risposta#1: non più dei combustibili

fossili…

L’Italia ha abbandonato la fissione nucleare (referendum popolari del 1987 e 2011)Decisione avventata? Fatti sull’onda emotiva degli incidenti di Chernobyl e Fukushima (vedi oltre)

#11


Elementi radioattivi /1

Elementi che decadono spontaneamente (si trasformano in altri elementi) emettendo particelle (nuclei di elio), particelle (elettroni), raggi (radiazioni energetiche)Pericolose per l’uomo:

– A dosi massicce: radiation sickness (morte entro pochi giorni)

– A dosi “basse”: aumentato rischio di contrarre malattie mortali (tumori)

– Che significa dosi basse? Indicazioni molto contraddittorie…


#12


Elementi radioattivi /2

• Problema#2. L’uranio è radioattivo• Risposta#2: in condizioni normali il

pubblico subisce dosi di radiazioni non superiori significativamente al sottofondo naturale (praticamente nullo incremento di rischio)

• Problema#3. Esiste la possibilità di incidenti con rilascio di sostanze radioattive

• Risposta#3: Negli ultimi 50 anni solamente tre incidenti seri: Three Mile Island (1979, USA), Chernobyl (1986, URSS), Fukushima (2011, Giappone)


#13


Incidenti /1• Three Mile Island: nessuna conseguenza• Chernobyl: “l’incidente perfetto”

– Errori di progetto del reattore– Mancanza di elementari misure di sicurezza– Malfunzionamento di vari dispositivi– Errori umani ed irresponsabilità degli operatori

• Fukushima: dovuto ad una catastrofe– Tsunami di 14 m (progettato per resistere a

6.5m)– Rilascio di materiali radioattivi molto più

contenuto di Chernobyl– Non è la conseguenza più grave (30000 morti!)


#14


Incidenti /2• Chernobyl

– Alcune decine di morti (pompieri, operatori) per radiation sickness

– Aumentata incidenza di tumori alla tiroide nella popolazione circostante (sopravvivenza a 10 anni >90%)

– Altri effetti (e.g. leucemia) praticamente non rilevabili statisticamente

• Fukushima– Nessun morto per radiation sickness– Esposizione alle radiazioni molto minore che a

Chernobyl


#15


Le scorie

• Problema#4. Le scorie sono radioattive con lunghi tempi di decadimento (decine di migliaia di anni)

• Risposta#4: il problema dello stoccaggio delle scorie è effettivamente quello più serio che affligge la fissione nucleare. Dal punto di vista tecnico esso è risolubile; serve però una forte volontà politica per individuare i siti idonei e convincere la popolazione (altrove è stato fatto; impossibile in Italia?)


#16


Che cos’è la fusione

#17


La fusione nucleare é il processo nel quale nuclei

di elementi leggeri si fondono insieme per

formare nuclei più pesanti

Le reazioni di fusione

Il difetto di massa viene trasformato in energia secondo la formula più

famosa del mondo: E=mc2


di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921)

#18


La fusione avviene già…

Nel sole e nelle altre stelle

Sulla terra nella bomba H


#19


Le reazioni di fusione più “facili”:D + T -----> 4He + nD + D -----> 3He + nD + D -----> T+ H

Il Deuterio è contenuto nell’acquaIl Trizio si produce dal Litio con la

reazione6Li + n --> 4He + T

7Li + n --> 4He + T + n

Deuterio (D) – Trizio (T)

coinvolgono gli isotopi dell’idrogeno


#20


Per far avvenire la fusione occorre avvicinare i reagenti a distanza

subatomica(forze nucleari forti)

Per ottenere ciò bisogna superare la repulsione

elettrostatica tra cariche dello stesso segno

++

++

Come avviene la fusione /1Che cos’è la fusione

#21


Come avviene la fusione /2

Prima possibilità: confinamento inerziale

Si colpisce una pallina di D e T con dei laser

potentissimi per comprimerla a

sufficienza da far avvenire la reazione di

fusionePossibile in principio: ci si sta lavorando


#22


Come avviene la fusione /3

Seconda possibilità: fusione fredda

(LENR: low enery nuclear reactions)

Si favoriscono le reazioni grazie ad un

“catalizzatore” (Palladio)

Pochi ricercatori sono riusciti a replicare gli esperimenti originari:

molto controversa


Fleischmann - Pons, 1989

#23


Come avviene la fusione /4Terza possibilità:

fusione termonucleare

Si riscalda il D e il T fino a che la velocità di agitazione termica delle particelle è tale da far avvenire urti abbastanza violenti

da vincere la repulsione ed

avvicinarli abbastanza

Le temperature richieste sono di 100 milioni di

gradi


#24


La fusione termonucleare controllata: aspetti scientifici e tecnici

#25


Il plasma

A temperature così alte si raggiunge il quarto stato della materia: il plasma (un gas ionizzato)

I nuclei e gli elettroni diventano

indipendenti

La fusione termonucleare controllata

#26


I plasmi sono ovunque …

… ma come produrre e dove

contenere un plasma così caldo?


#27


Il riscaldamentoSi fa percorrere il plasma da una corrente elettrica di milioni di Ampéretramite un opportuno trasformatore (riscaldamento ohmico per effetto Joule)

Si utilizzano radiazioni elettromagnetiche (riscaldamento a radiofrequenza come un “forno a microonde”)


#28


Il confinamento magneticoLe particelle cariche in presenza di un

campo magnetico non sono libere nel loro moto, ma spiralizzano lungo le linee di

forzaIn questo modo possiamo confinare il

plasma senza che urti le pareti circostanti


#29


Il tokamak

Si dà al plasma una forma

“a ciambella” (toroidale) per

evitare la fuoriuscita di

particelle

тороидальная камера с магнитными катушками Camera toroidale a bobine magnetiche

Inventato negli anni ’50-’60 dal fisico

russo Andrei Sakharov (premio Nobel per la pace

nel 1975)


#30


Componenti di un reattore

PlasmaVesselBlanketMagneti

Sistemi di riscaldamentoAlimentazioniScambiatori di

calore e turbine


#31


Utilizza combustibili che sono abbondanti ed ampiamente disponibili in tutto il mondo.• Il Deuterio contenuto nell’acqua di mare é sufficiente per trecentomila milioni di anni • Il Litio, abbondante sulla terra e negli oceani, é sufficiente per circa 2000 anni

I potenziali vantaggi /1La fusione termonucleare

controllata

#32



controllata

• La fusione non produce gas responsabili dell’effetto serra (C02) o delle piogge acide (S02, N02)

• La fusione è adatta alla produzione di energia elettrica su larga scala

#33



controllata

Pone (relativamente) pochi problemi di sicurezza:•“Scorie” radioattive poco preoccupanti (He innocuo, strutture potenzialmente attivate ma solo in prossimità del plasma)•Materiali radioattivi (T) a basso tempo di decadimento e prodotti in loco•Sicurezza “intrinseca” (solo pochi g di combustibile nel reattore, reazione non a catena che si spegne in pochi secondi in caso di problemi)•Rischio bassissimo di rilascio di sostanze radioattive nell’ambiente

#34


La ricerca sulla fusione: breve storia e stato attuale

#35


“Capire” la fusioneLa ricerca sulla fusione

• Fino al XIX secolo, non si sapeva come il sole producesse energia (combustione, collasso gravitazionale,…)

• 1905 (annus mirabilis): equivalenza massa energia (E=mc2) A. Einstein, “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?”, Annalen der Physik 18, 639–641

• 1920: Sir Arthur Eddington ipotizzò che la produzione di energia nelle stelle fosse collegata alla conversione di idrogeno in elio

• 1928: Irving Langmuir propose il termine “plasma” per descrivere “a region containing balanced charges of ions and electrons”

• 1938: Hans Bethe introdusse una teoria che spiega la produzione di energia tramite fusione nelle stelle (premio Nobel per la fisica nel 1967)

#36


“Realizzare” la fusione /1La ricerca sulla fusione

• Anni ’30: primi esperimenti di fusione al Cavendish laboratory (Cambridge, UK)

• 1946: Sir George Thomson (premio Nobel per la fisica nel 1937) e Moses Blackman depositano un brevetto per un reattore a fusione

• 1952-53: prime bombe H (prima USA e poi URSS)

• 1961: Bomba Zar, la bomba H più potente mai fatta esplodere (URSS) pari a 57 megatoni ( 4500 volte più potente di quella di Hiroshima)

#37



• 1951: Spitzer fondò il Princeton Plasma Physics Laboratory (USA) proponendo la configurazione magnetica “stellarator”

• 1952: “magnetic pinch device” a Los Alamos National Laboratory (USA)

• 1954: ZETA (magnetic pinch device) ad Harwell, vicino Oxford (UK)

• 1958: “Atoms for peace conference” in Ginevra: parziale declassificazione degli studi sulla fusione. Gli studiosi russi, americani e britannici cominciano a condividere le ricerche.

#38



• 1968: configurazione magnetica “tokamak”, inventata da Andreij Sacharov (premio Nobel per la pace nel 1975) e Igor Tamm. Risultati straordinari in termini di temperatura, densità e tempo di confinamento rispetto alle altre macchine.

• Anni ’70: grosso interesse per i dispositivi tokamak, che vengono progettati e costruiti in tutto il mondo

• 1983: primo plasma al JET (Joint European Torus), vicino Oxford (UK)

• 1985: primo plasma al JT-60 (Giappone)• 1988: primo plasma a Tore Supra (Francia)• Anni ’80 e ’90: altri dispositivi (più piccoli)

entrano in funzione in tutto il mondo (Europa è leader!)

#39


Alcuni record della fusioneLa ricerca sulla fusione

#40


La macchina del recordProgettato negli anni ‘70

Iniziato a costruire nel 1978

Operativo dal 1983Soggetto a molte

“migliorie” per seguire lo stato delle conoscenzeAlcune peculiarità

tecniche lo rendono ancora oggi pressoché

unico nel panorama della ricerca sulla fusione

La ricerca sulla fusione

#41



La fusione in Italia /1

FTU (Frascati Tokamak Upgrade) è funzionante a Frascati (Roma) presso il

Centro di Ricerca ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e

l’Ambiente)

#42



La fusione in Italia /2

RFX (nella linea dei Reversed

Field Pinches) è funzionante a

Padova, presso il Centro di Ricerca del

CNR (Consiglio Nazionale delle

Ricerche)

#43



La fusione in Italia /3Vari istituti di ricerca si occupano in Italia di ricerca teorica e sperimentale sulla fusione, facendo parte dell’Associazione EURATOM che coordina la ricerca europea del settore: ENEA (FTU), CNR (RFX), Università, Consorzi

Consorzio CREATE: (Consorzio di Ricerca per l’Energia le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo)

L’Università di Cassino è tra i soci e fa quindi parte dell’Associazione EURATOM

•Corsi dedicati alla fusione (laurea magistrale ing. elettrica)•Visite guidate, stage, tirocini, tesi di laurea

#44


Le prospettive future

#45


Il prossimo passo: ITER /1Le prospettive future

International Thermonuclear Experimental Reactor

Obiettivo: “to demonstrate the scientific and technological feasibility of fusion power for peaceful purposes”Per raggiungere ciò, ITER:• produrrà più potenza di quanta ne consumi

(Q 10, potenza da fusione 500 MW)• implementerà e testerà le tecnologie chiave necessarie per un reattore a fusione (magneti superconduttori, materiali a bassa attivazione, lithium breeding, remote handling, …)

#46



Una cooperazione internazionale per

fare un balzo in avanti

#47



• 1985: Michail Gorbaciov propose a Ronald Reagan di perseguire un progetto per lo sfruttamento pacifico della fusione

• 1988: inizio del progetto concettuale• 1992-2001: progetto ingegneristico (con molte

peripezie…)• 2005: Selezione del sito (Cadarache, Provenza,

Francia)• 2008: inizio costruzione (il cantiere è in

funzione)• Costo previsto: 10 miliardi di EUR

… è stata una scelta vincente? Ai posteri l’ardua sentenza…

#48



=

10 MILIARDI DI EUROCostoso? Certamente in assoluto, non lo è, se paragonato

ai bilanci statali di USA e Europa• Portaerei Cavour (varata nel 2009): 1,3 miliardi di euro

• Caccia F35: oltre 100 milioni (USAF ne ordinerebbe 2000 !)

#49


Quando la fusione?Le prospettive future

• Rebus sic stantibus, qual è la prospettiva? 2020: fine costruzione ITER 2015: in operazione un “satellite” di ITER

(forse in Italia: FAST)• 2020-2040: operazione di ITERDopo ITER: DEMO• Dimostrare l’effettiva produzione di energia

elettrica tramite fusione• Sviluppare la parte di impianto “convenzionale”

(scambiatori di calore, turbine etc.)• Produrre in loco il trizio• Se/quando? Dipende dal successo di ITER…

#50


“Fusion will be there when society needs it”

(Lev Artsimovich)

Grazie per l’attenzioneFabio Villone, [email protected]

(Corso di “Plasmi e fusione termonucleare controllata”, Laurea Magistrale Ingegneria Elettrica)

#51


Backup slides

#52


Quando la fusione? /1Le prospettive future

• 1933: Lord Rutherford (premio Nobel per la chimica nel 1908): “anyone who looks for a source of power in the transformation of the atom is talking moonshine”

• Anni ‘70: un pamphlet della General Atomics (USA) riportava: “several commercial fusion reactors are expected to be online by the year 2000”

• In generale, fino agli anni ’80 inoltrati, le prospettive apparivano rosee alla luce degli sviluppi rapidissimi e molto promettenti della linea tokamak

• Cosa è successo?

#53


Quando la fusione? /2Le prospettive future

• La prospettiva di realizzare ITER ha “bloccato” per oltre un decennio l’avanzamento nella realizzazione di ulteriori dispositivi per problemi politici ed economici

• Gli unici dispositivi che attualmente sono in costruzione o all’inizio delle operazioni sono o “alternativi” (stellarator) o di taglia “medio-piccola” nei paesi dell’estremo oriente (Cina e Corea)

• L’Europa ha bloccato a fine anni ’80 il progetto di NET (Next European Torus), che a conti fatti sarebbe stato “simile” ad ITER (ma forse con 15 anni di “vantaggio”…)

• … What if? …

#54


Per riassumere…Le prospettive future

• Anni ’20 –’40: comprensione del fenomeno • Anni ’50 –’60: studi sperimentali pioneristici• Anni ’70 –’80: the tokamak era• Anni ’90-2000: “Aspettando Godot”• Anni 2010-2020: ITER & satellite• Anni 2030 e oltre: DEMO & more?

#1 f. villone, la fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive fabio villone...

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