l'energia dalla fusione nucleare, iter - nif

R. Kersevan - L'energia dalla fusione nucleare - Udine - 22 Ottobre 20101


Programma:

- Introduzione- Struttura atomica- Fissione e fusione- Quale fusione?- ITER- A che cosa serve ITER?- Stato attuale e programmi di studio, presenti e futuri


Introduzione• L’umanita’ si trova ad un punto in cui la crescita

demografica dei paesi in via di sviluppo e i consumi crescenti dei paesi ricchi si scontrano con l’arrivo del “picco del petrolio”, a cui seguiranno a breve quelli del carbone, gas, petrolio non convenzionale, uranio, etc…

• Per lo stesso motivo, si parla di “rinascita del nucleare” (convenzionale, a fissione), che tanto ha marcato e marca ancora --a torto o a ragione-- l’opinione pubblica mondiale, specialmente dopo gli incidenti di Three Mile Island e di Chernobyl

• Alla luce di questo, la fusione nucleare si prefigge di generare grandi quantita’ di energia pulita utilizzando delle risorse non rinnovabili ma presenti sulla terra in quantita’ pressoche’ infinite, nel contempo evitando di produrre “scorie” radioattive a lunga durata

"Given the nature and magnitude of the challenge, national action alone is insufficient. No nation can address this challenge on its own. No region can

insulate itself from these climate changes."

Ban Ki-Moon, Secretary-General of the United Nations, in his opening address to the High-Level Event on Climate Change, 24 September, 2007.

“Out of every 100 persons added to the population in the coming decade, 97 will live in developing countries."


Introduzione• ITER e’ un progetto che vuole capitalizzare i decenni

di esperienza accumulata dalla comunita’ scientifica internazionale su decine di “macchine a fusione nucleare”

• ITER e’ nato negli anni ’80, ed e’ passato per almeno due fasi: la prima, con 4 partners (USA, Europa, Russia e Giappone), che ha portato alla realizzazione di uno studio e del progetto di una macchina che alla fine fu giudicata troppo ambiziosa, grande e costosa

• Il risultato e’ stato il ritiro dal progetto di uno dei partner (USA). I rimanenti hanno continuato a lavorare su un progetto “in scala ridotta”, che ha portato alla macchina in costruzione oggi a Cadarache (Francia)


IntroduzioneQual’e’ il carburante della fusione?

Carburante “grezzo”: acqua e Litio*

Litio nella batteria di un PC portatile + 1/3 vasca d’acqua (->pochi cm3 di acqua pesante) 200,000 kWh = attuale consumo pro-capite di elettricita’ in Italia per 37 anni (5400 kWh nel 2008)

* Deuterio/idrogeno = 1/6700+ (trizio da: neutrone (dalla fusione)) + litio → trizio + elio


Introduzione• Lo scopo finale e’ di arrivare a “Q=10”, cioe’ produrre

un plasma stabile di deuterio-trizio che fornisca (almeno) 10 volte l’energia utilizzata per “confinarlo” e scaldarlo

• Si stima in 50 MW la potenza da fornire, e ci si attende almeno 500 MW in “uscita” (Q=Pout/Pin)

• Non e’ previsto di produrre energia elettrica con ITER, solo di dimostrare la fattibilita’ della fusione a Q=10

• La produzione di energia elettrica da fusione verra’ eventualmente fatta da DEMO, il successore di ITER che e’ gia’ sotto studio da parte di molti laboratori


Introduzione• Il progetto ITER fa parte di un “broader agreement”, un

accordo allargato, che prevede la costruzione di una installazione per lo studio di materiali avanzati, utilizzabili per la fusione (IFMIF, “International Fusion Materials Irradiation Facility”), un acceleratore di particelle capace di creare copiosi fasci di neutroni che simuleranno i neutroni della fusione nucleare

• IFMIF e’, al momento, nella fase “EVEDA”, in attesa della decisione di un sito e dei finanziamenti (EVEDA= “Engineering Validation Engineering Design Activities”)

• L’accordo prevede anche la costruzione di un reattore a fusione “gemello” (ma di taglia piu’ piccola), JT-60SA

• In aggiunta a cio’, il centro di ricerca IFERC é pure in corso di messa in opera, “International Fusion Energy Research Center”.

• IFMIF(EVEDA), JT60-SA e IFERC sono collaborazioni internazionali localizzate in Giappone


Introduzione• IFMIF (Collaborazione internazionale: Italia: EURATOM,

INFN, ENEA)


Introduzione• JT-60SAIntegrated Project Team Leader: Pietro BarabaschiIn corso di costruzione (Naka, Giappone)


Introduzione• IFERC

Centro per lo studio di concetti avanzati di energia da fusione nucleare: progetto di DEMO, simulazioni avanzate al computer, operazione remota di ITER, etc…


Introduzione• ITER: un po’ di storia:• Summit di Ginevra, 1985 • … segue un accordo a 4:

USA, EU, Russia, Giappone … problemi vari…

USA, Canada: lasciano ITER… … ri-progettazione di ITER (ITER-FEAT) ..

Cina, India, Corea del Sud esprimono il loro interesse…

• Stallo: Braccio di ferro Giappone/Francia? 28 Giu 2005 (Mosca): Francia!

• Accordo finale, 21 Nov 2006

Ratifica dell’accordo finale: 24 Ott 2007


Struttura Atomica

Numero di Avogadro (mole): 6,022x1023

E’ l’esponente che conta!_Esempio.: Un litro d’aria a livello del mare:

~2,7x1022 molecole!Modello di Bohr (inesatto!)

Dei primi 82 elementi, 80 sono stabili (Tc43, Pm61 instabili), tutti gli altri instabili


Energia di legame per nucleone in funzione del numero di massa A, per i nuclei piu’ stabili. Scala logaritmica da A=1 a 50 , e lineare da A=50 a 250


Reazioni Nucleari: Quali Elementi?

Produzione di energia nucleare

Fissione nucleare Es.: un nucleo di U-235 (92 protoni

e 143 neutroni) colpito da un neutrone subisce un decadimento nucleare e si divide in piu’ parti

Produzione di energia nucleare (fissione)Fissione naturale: fenomeno raro al giorno

d’oggi.Circa 1,7 miliardi di anni fa, in particolari

condizioni geologiche, si e’ sviluppato un reattore nucleare naturale a Oklo, Gabon

Concentrazione di U-235: oggi ~0,7%, allora ~3%


Fusione Nucleare: Nelle Stelle, Confinamento Gravitazionale

Sole: massa ~2x1030 kg (7,17x1057 p)• reazione protone-protone (~ 98,3%)• probabilita’ di reazione molto bassa

(interazione debole, meno male!)• Frequenza eventi: 9,2x1037 s-1 • 6,2x1011 kg (3,7x1038 p -> alfa)• 4,26 milioni tonnellate (0,7%)

trasformate in energia ogni secondo, tramite E = Δmc2 ( ~ 92 miliardi di Mt TNT = 3,86x1026 W)

Δm = difetto di massa fra i 4 p e la particella alfa

~109 anni

~1 sec

~106 anni

α


Fusione Nucleare Nelle Stelle: Confinamento Gravitazionale

• Nucleo: 2% volume, ~50% massa totale

• Temperatura nucleo: ~15,7 milioni di gradi

• densita’ nucleo: ~150 g/cm3 (media=1,41 g/cm3)

• Pressione nucleo: 340 miliardi di atmosfere

• Potenza specifica: 275 W/m3

• i fotoni emessi impiegano in media 170 mila anni prima di raggiungere la fotosfera, dopo una media di 1025 urti!

α

1. Core2. Radiative zone3. Convective zone4. Photosphere5. Chromosphere6. Corona7. Sunspot8. Granules9. Prominence


Fusione Nucleare Nelle Stelle: Confinamento Gravitazionale (2)

Stelle piu’ pesanti del sole: • Ciclo di reazione C-N-O• ~1,7% dell’energia totale

nel sole• Temperature: >18 milioni

di gradi• Altri cicli esistono, p. es.

O-F


Fusione Nucleare: Reazioni PossibiliD = deuterio (2

1H)T = trizio (3

1H)

Unita’ uso comune: 1 eV = 11604,5 ºK

1 MeV = 1,6x10-13 J

= 11,6x106 ºK


Fusione Nucleare: Reazioni PossibiliD = deuterio (2

1H)T = trizio (3

1H)

In pratica, in ITER: meno di 1 W/cm3 di potenza specifica!

Sono necessari grandi volumi (>1000 m3 -> ~ 1 GWth)


Trizio: Che Cos’e’? Quanto ce n’e’?T = trizio (3

1H)Produzione naturale:

bombardamento dei raggi cosmici nell’alta atmosfera

Produzione artificiale:• reattori a fissione• esplosioni termonucleari in

atmosfera (anni 50-60)

0,1-1,3 T/cm2/s Totale ~2,65 kg

qualche kg/anno ~ 500-1000 kg


Trizio: Che Cos’e’?(3

1H) Isotopo instabile (decadimento β, E. Fermi): Tempo dimezzamento 4501 giorni (12,32 anni)

Bosone W-, C. Rubbia


• Una delle forme in cui si puo’ trovare la materia

• Sostanza simile a un gas che sia stato almeno in parte ionizzato

• Es.: aurore boreali, fulmini, lampade al plasma, televisori al plasma,… e ITER!

Plasma: Che Cos’e’?


Fusione Nucleare in Laboratorio: Come riprodurla?

• “Confinamento inerziale” (Laser, fasci di particelle,…)

• “Confinamento magnetico” (ITER)• “Fredda” (sarebbe bello se

funzionasse…)• “Catalizzata da muoni” (non pratica…)• … altri modi…


Fusione Nucleare in Laboratorio• Confinamento inerziale (Laser, fasci di particelle,…)• Principio: focalizzare molti (centinaia di) fasci laser su un

bersaglio costituito di una miscela deuterio-trizio (D-T)• Es.: NIF, National Ignition Facility (Livermore Laboratory, USA)

• 192 fasci laser, durata 3,6 nanosecondi, 1,8MJ ( = 500 TW !!)• Il bersaglio implode e la miscela D-T subisce la fusione nucleare• Inizio operazioni: Gennaio 2010; primi risultati molto promettenti!


Fusione Nucleare in Laboratorio Confinamento magnetico (ITER)

Ricetta della nonna:

Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); qualche centinaio di scienziati, ingegneri, e tecnici di piu’ di 40

paesi diversi; ~50 MW di potenza elettrica

• Pompare (vuotare) un volume di forma toroidale di circa 1000 m3;• Accendere dei magneti molto potenti;• Iniettare una miscela di D2 e T2 nella camera a vuoto;• Ionizzare le molecole di D2 e T2, e trasformarle in un plasma di D+ e T+, piu’ una nuvola di

elettroni;• Riscaldare il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);• Quando “il termometro” indica la temperatura di ~150 milioni di gradi, misurare il flusso di

neutroni di fusione; Quando indica xx neutroni/cm2… (500 MW di energia!)…• … stappare una bottiglia di champagne e gridare “Evviva!”

Tempo necessario: da 13 a 18 anni (costruzione, messa in funzione, “first plasma” (H2, He), D-T,)

(*) “Tokamak”: dal russo “тороидальная камера с магнитными катушками”

= “toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami “ = “camera a vuoto toroidale con bobine magnetiche”

I tokamak sono stati inventati negli anni ‘50 dai fisici sovietici Igor Tamm and Andrei Sakharov ispirati da un’idea originale di Oleg Lavrentyev

Primo tokamak: “T1”, Istituto Kurchatov, MoscaAnno: 1968

http://en.wikipedia.org/wiki/Igor_Yevgenyevich_Tamm

http://en.wikipedia.org/wiki/Igor_Yevgenyevich_Tamm

http://en.wikipedia.org/wiki/Andrei_Sakharov

http://en.wikipedia.org/wiki/Andrei_Sakharov

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/WebsiteText/Attachments/10/t1_1.jpg


Confinamento magnetico (ITER)

Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); un migliaio di ingegneri, e tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica

• Pompare (vuotare) un volume di forma toroidale di circa 1000 m3;

Pompe (8 in totale)Sezione di una criopompa: verde (schermo termico, 80 K); blu (criopannelli, 4,5 K); velocita’ pompaggio

circa 50 mila litri/sec

http://www.iter.org/doc/www/newsline/Newsline/116/cryo3.jpg



Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); un migliaio di ingegneri, e tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica; acqua q.b.

• Pompare (vuotare) un volume di forma toroidale di circa 1000 m3;

Materiale: acciaio inox (IG); spessore 60 mm; doppia parete; raffreddata/riscaldata con acqua sotto

pressione a 100-300 ºC, 11 atmosfere;9 settori saldati assieme: 7 Europa, 2 Corea

(Hyundai Heavy Industries);Costo EU: 300 milioni di Euro (Ansaldo Nucleare,

Walter Tosto, Mangiarotti)

Settore (40º): peso ~500 t

Dimensioni: 13x6x6,5 m3

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/458/vv_single_sector_exploded_light.jpg

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/458/vv.jpg




2. Accendere dei magneti molto potenti;(Magneti superconduttori: raffreddati all’elio supercritico (4,5 ºK); materiali: niobio-titanio (NbTi) e niobio-stagno (Nb3Sn)); Peso: ~400 ton

Magneti toroidali (18)Campo magnetico: > 6 Tesla

“solenoide centrale”campo poloidale (1)

Intensita’: 12 T



2. Accendere dei magneti molto potenti (continua);(Magneti superconduttori: raffreddati all’elio supercritico (4,5 ºK); materiali: niobio-titanio (NbTi) e niobio-stagno (Nb3Sn));

Bobine toroidali (18)Campo magnetico: > 6 Tesla

Bobina toroidale: Peso ~360 t16 m x 9 m

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/340/strand1.jpg

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/340/strand3.jpg




3. Iniettare una miscela di D2 e T2 nella camera a vuoto;4. Ionizzare le molecole di D2 e T2, e trasformarle in un plasma di D+ e T+, piu’ una nube di elettroni;

Una corrente intensa viene fatta passare nei 6 moduli del solenoide centrale (fino a 46

kA). La corrente di ogni modulo viene fatta

decrescere in maniera controllata .

Cio’ induce un potenziale che ionizza

la miscela D2 – T2 e crea il plasma.

Questo si comporta come il secondario di un trasformatore e si

scalda.

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/182/img2.jpg

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/182/cs_modules.jpg

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/182/img3.jpg



5. Riscaldare ulteriormente il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);

Riscaldamento supplementare di ioni D+ e T+ e della nuvola di elettroni- Iniettori di Fasci Neutri (Neutral Beam Injectors, NBI)- Riscaldamento di ciclotrone di ioni e elettroni (Ion Cyclotron and Electron Cyclotron Heating, ICH and ECH)

2(+1)x NBITangenziali, aumentano la

rotazione del plasma e lo stabilizzano:

potenza 16,5 MW cd.1x DNBI

“D”= “Diagnostic”Perpendicolare al plasma.

Potenza ridotta

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/WebsiteText/Attachments/17/heating_4.jpg



5. Riscaldare il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);

Riscaldamento supplementare di ioni D+ e T+ e della nuvola di elettroni- Iniettori di Fasci Neutri (Neutral Beam Injectors, NBI)

SPIDER: prototipo di sorgente di D+ ad alta corrente (40 A), 1 MV

Vista in sezione di un NBI: prototipo MITICA, Lab. INFN

Legnaro (Pd); L ~15 m

16,5 MW, fino a 3000 s di operazione

continua




Prototipi in costruzione ai laboratori RFX (INFN) di Legnaro (Pd)

SPIDER: Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted

from an RF plasma

MITICA: Megavolt ITER Injector and Concept Advancement

PRIMA: (the Padua Research on ITER Megavolt Accelerator)

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/Stories/Attachments/120/nbtf_2.jpg




Riscaldamento supplementare di ioni D+ e T+ e della nuvola di elettroni- Riscaldamento di ciclotrone di ioni e elettroni (Ion Cyclotron and Electron

Cyclotron Heating, ICH and ECH)

4x EC Upper Launchers: usati per combattere le instabilita’ del plasma

http://www.iter.org/doc/www/newsline/Newsline/109/launcher.jpg



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Criostato: serve a mantenere sotto vuoto i magneti superconduttori

Volume libero: 8500 m3; Diametro 36,5 m, Altezza 31 m; Fornitore: India Domestic Agency

http://www.iter.org/doc/www/newsline/Newsline/109/cryostat.jpg



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Schermi Termici (Thermal Shield): servono a limitare i carichi termici a carico del sistema criogenico

Vacuum Vessel Thermal Shield (grigio), e Cryostat Thermal Shields (Verde)

Criostato

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Altri sottosistemi, non meno importanti:- Magnet Feeders (China DA): servono a trasportare la corrente e l’elio supercritico a 4,5 K ai magneti superconduttori.

Alimentatori dei magneti, inseriti nella pianta dell’edificio del tokamak



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Blanket modules (moduli di protezione): servono ad assorbire delle potenze fino a 2 MW/m2, in caso di anomalia con conseguente perdita del plasma (“disruption events”)

Moduli di protezione: 440;Raffreddati ad

acqua; Materiale: Inox,

Tungsteno, Berillio



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Divertor Cassette (Divertore): elemento fondamentale per la vita del tokamak; Assorbe le particelle che sfuggono dai bordi del plasma e lascia passare i gas verso le criopompe; soggetto a carichi termici altissimi. Materiale: inox, CFC (tungsteno in fase 2); deve sopportare temperature fino a 3000 C

“Cassette” del divertore: 54

moduli indipendenti,

raffreddati ad acqua; peso: 4 ton


Confinamento magnetico (ITER) Altri sottosistemi, non meno importanti:

- Sistema di raffreddamento



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Remote Handling (Operazioni robotizzate)

Capace di manipolare i 440

moduli di protezione.

Tests effettuati in Finlandia e in Italia

(Brasimone)



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Alimentatori elettrici

Dovranno essere capaci di fornire potenze fra 110 e 620 MW (picchi di

30 secondi), seguendo delle specifiche di stabilita’ e

riproducibilita’ estreme

Foto: prototipo del 1998

http://www.iter.org/doc/www/edit/Lists/WebsiteText/Attachments/26/power_supply_2.jpg



Altri sottosistemi, non meno importanti:- Ciclo del combustibile: iniettori di pellets e gas (“gas puffing”)

Ad ogni istante, meno di 1 g di DT e’ presente Servono a introdurre il combustibile durante la fase di

plasma, ed a smorzare o terminare certi tipi di instabilita’

del plasma (foto qui sotto).I pellets (DT a 4,5 K) vengono

lanciati a velocita’ di piu’ di 3000 km/h

Operazione normale: 2000 mbar*l/s


Come si e’ arrivati a ITER?• ITER: e’ il passo successivo nell’evoluzione dei tokamak• ITER: puo’, deve!, essere il passo decisivo.

… e le cose sono sulla buona strada!


Come si e’ arrivati a ITER?L’albero geneaologico della famiglia “tokamak”…


ITER in Confronto a JETJET

Diametro del toro = 6m

Volume Plasma = 80 m3

Potenza Fusione ~ 16 MWth

ITER

Diametro del toro = 12m

Volume Plasma = 850 m3

Potenza Fusione ~ 500 MWth

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ITER in Confronto a JET e precendenti

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ITERITERIgnitionIgnition

Break EvenBreak Even

Criterio di Lawson (“Triplo Prodotto”): lega temperatura, densita’ e tempo di

confinamento:


Dove si trova ITER? Sito di Cadarache, Alta Provenza, Francia, 70 km a NE di Marsiglia…

Superficie occupata - 60 ettari

Ed. Tokamak & Assemblaggio – 6 livelli @ 166 m x 81 m x 57 m (~36000 m2)

Edificio Trizio – 7 piani @ 25 m x 80 m (~14000 m2) Piu’ grande produzione al mondo (~300 kg/anno) (Fase 2, dopo il 2026)

Impianto Criogenico – 65 kW at 4.5 K & 1300 kW at 80 K Secondo piu’ grande al mondo

Edifici Alimentatori di Potenza (~1000 MW potenza di picco)

Area Stoccaggio componenti attivati 60 m x 70 m

Magneti Poloidali: Edificio di Bobinamento ~250 m x 45 m


ORGANIZZAZIONE: DAs e IO“AGENZIE DOMESTICHE” e “ITER ORGANIZATION”

Agenzia Domestica Europea: “Fusion for Energy” (“F4E”);

Barcellona


Finanziamento del Progetto

• La “torta” e’ divisa in 11 parti: 5 a carico dell’EU (gestito da F4E), e 1 parte a carico di ciascuno degli altri 6 partners (CN, IN, JA, KO, RU, US).

All’interno della EU (paesi EURATOM), la Francia si e’ accollata delle spese supplementari (Region PACA, rifacimento di decine di ponti, strade per permettere il passaggio di trasporti eccezionali dal porto di Fos (Marsiglia) fino a Cadarache (106 km)

Itinerario dei Componenti di ITERItinerario dei Componenti di ITER= ItinerarioITER Site


Conclusione: se tutto procede come previsto, verso la fine di Novembre 2019 qualcosa di simile a questo comparira’ all’interno della camera a

vuoto di ITER…

Foto grandangolare presa all’interno di KSTAR, il tokamak a magneti superconduttori, recentemente entrato in funzione nella Corea del Sud


Grazie dell’attenzione!


www.fusionenucleare.it

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