lezione 5 la fusione nucleare · l‟energia liberabile da una reazione di fusione è molto...

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LEZIONE 5 – MERCOLEDÌ 4 APRILE 2012

LA FUSIONE NUCLEARE

Seminario di energetica | ITIS G. Marconi (Verona) | dott. Riccardo Maistrello

CONSORZIO RFX

Quanto contenuto in questa presentazione è

estratto dal testo “Fisica e ingegneria della

fusione: la ricerca verso una nuova fonte di

energia”, redatto per fini didattici dal Consorzio

RFX e liberamente scaricabile dal sito web.

Link diretto: http://www.igi.pd.cnr.it/wwwedu/index.html


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STRUTTURA DELLA MATERIA /1

Nell‟antichità si immaginava che la materia fossecomposta da piccole particelle indivisibili,chiamate “atomi”. Già nel 1800 Prout mette indiscussione questa visione, intuendo che gli atominon sono tutti uguali e che probabilmente possonoessere scomposti in particelle più piccole.

Seguono nei secoli XIX e XX numerose e varieformulazioni che originano differenti modelli, comequello di Rutherford (1911 - modello planetario: tutta lamassa è concentrata in un punto, detto “nucleo”, e le caricheelettriche ruotano attorno a tale nucleo come i pianeti attorno

al Sole), poi migliorato con il modello di Bohr-Sommerfeld.



Già dagli anni „20 la comunità scientifica si è resa contodell‟impossibilità di descrivere quantitativamente ed inmaniera completa la fisica dei fenomeni che hanno luogoa livello atomico (principio di indeterminazione di Heisenberg).

Dobbiamo limitarci ad una descrizione probabilisticadell‟universo atomico, perché una descrizionedeterministica è impossibile.

Einstein ha sempre avversato questo approccio, che haportato alla nascita della meccanica quantistica, che siispira ai lavori di Bohr e Heisenberg (nel corso di unadiscussione epistolare col primo, Einstein avrebbe dettola celebre frase “Dio non gioca a dadi con l‟universo”).


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Ai fini del nostro studio considereremo la materiacome composta da atomi. Elementi chimici diversihanno atomi con caratteristiche diverse.

La struttura degli atomi è però comune: un nucleocomposto da (neutroni e) protoni, circondato dauna “nube” di elettroni.

Neutroni, protoni ed elettroni, sono consideratiparticelle elementari, cioè non ulteriormentescindibili.

Elettrone: carica elettrica -1,6 x10^(-19) C, massa 9,11 x 10^(-31) kg

Protone: carica elettrica +1,6 x10^(-19) C, massa≈1800 x massa_el

Neutrone: carica neutra, massa leggermente superiore al protone


STRUTTURA DELLA MATERIA / 4

In figura appare un atomo di idrogeno(H), che è l‟elemento più semplice e leggero dell‟universo.

È composto da un protone (carica elettrica positiva) e da un elettrone(carica negativa).

Non ha neutroni.


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STRUTTURA DELLA MATERIA / 5

Atomi più complessi hanno nuclei più pesanti,

composti da protoni e neutroni, attorno ai quali ruotano elettroni disposti

su orbite (orbitali) differenti, con livelli di

energia distinti.

Il ferro, ad esempio, ha ben 26 protoni e, se elettrica-

mente neutro, 26 elettroni.


EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA / 1

Abbiamo già visto che l‟energia si manifesta ininfinite forme (cinetica, potenziale, chimica,elettromagnetica etc.) e che si conservasempre.

Einstein (1905 – Teoria della relatività ristretta) provò cheanche la massa è una forma di energia e chel‟una si può trasformare nell‟altra.

E = ∆m x c^2Se in una reazione nucleare c’è una variazione di massa,

la quantità ∆m si trasforma integralmente in energia


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EQUIVALENTE MASSA-ENERGIA / 2

Poiché il termine c^2 è enorme (c è la velocità

della luce, 300‟000 km/s circa), bastano

variazioni infinitesimali della massa di un

sistema per liberare energie elevatissime.

Δm ΔEc^2


ESTRATTO DA DISPENSA

La reazione di fusione nucleare permette di ricavare energiagrazie al fenomeno naturale conosciuto come "Difetto di Massa".Se in una trasformazione nucleare si ha una riduzione dellamassa Δm , viene liberata un’energia pari al prodotto di taleriduzione Δm per il quadrato della velocità della luce c^2. È chiaroquindi che, anche se questa quantità Δm è piccolissima, essaviene moltiplicata per un numero enorme, dando alla fine unaquantità apprezzabile di energia.

[…] Il nuovo modello atomico consente di immaginare l'atomoformato da un nucleo, i cui costituenti, detti nucleoni, sono iprotoni, aventi carica elettrica positiva, e i neutroni; attorno alnucleo ruotano gli elettroni, con carica elettrica negativa. Lacarica elettrica complessiva dell'atomo è nulla perché il numero dielettroni è uguale a quello dei protoni.

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LA FISSIONE NUCLEARE/1

Nella reazione di fissione un isotopo “grosso e pesante” di

uranio (U-235) o plutonio (Pu-239) viene bombardato con

neutroni affinché perda stabilità e si spezzi, liberando energia.

Il problema della fissione è che i prodotti della reazione sono

altamente instabili e richiedono migliaia di anni prima di

stabilizzarsi. In questi anni continuano a rilasciare energia

(radiazioni) e trasformarsi.


LA FISSIONE NUCLEARE /2

Vediamo un esempio di reazione:

U235 + n B140 + Kr93 + 3 n + 192 MeV

Un isotopo di U235 che fissioni dopo l‟impatto conun neutrone n produce isotopi più leggeri (delBario e del Kripton) e libera inoltre altri neutroni(che posso essere utilizzati per mantenere lareazione di fissione e realizzare quindi una“reazione a catena”) ma soprattutto libera energia(2,76 x 10^(-11)J).


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LA FISSIONE NUCLEARE / 3

Che energia sarà quella posseduta dai prodotti

della fissione?


LA FISSIONE NUCLEARE / 3

Che energia sarà quella posseduta dai prodottidella fissione?

È energia cinetica di tutti ciò che ha massa,prodotto dalla fissione. Stiamo parlando, nel casodell‟esempio, degli isotopi di bario e kripton e deineutroni, che schizzano via a velocità elevatissimee che vanno, infatti, rallentati ( moderatore).Questo rallentamento sottrae energia cineticatrasformandola di calore, che poi viene utilizzato inun processo generativo termoelettrico.


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LA FUSIONE NUCLEARE

Nella reazione di fusione avviene il contrario. Due isotopi

leggeri vengono fatti impattare l‟uno contro l‟altro con energie

enormi (in grado di vincere le forze di repulsione

elettromagnetica) affinché si fondano. Il prodotto dello scontro

è un isotopo non stabile che deve emettere energia per

stabilizzarsi, ma lo fa in tempi molto brevi e senza rilasciare

emissioni “pericolose”.

Il processo di fusione haluogo in ogni momentonel nostro Sole (e nellestelle) dove –grazie alletemperature ed allepressioni elevatissime –gli atomi di idrogeno sifondono per produrreatomi di elio (+ calore!!!).


ENERGIA DA FISSIONE VS. FUSIONE

L‟energia liberabile da una reazione di fusione è molto

maggiore di quella liberata dalla fissione. Questo dipende da

un ∆m molto maggiore e dalla natura fisica degli elementi

coinvolti.


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PROBLEMI DELLA FISSIONE

Come detto, occorre fornire agli isotopi coinvolti

un‟enorme energia affinché superino le forze di

repulsione elettrostatica che tenderebbero ad

allontanarli e possano arrivare a “toccarsi” e

“fondersi” (lavoro delle forze di attrazione nucleare).

Dagli anni „50 gli ingegneri del pianeta si

chiedono: il sistema produce più energia di

quella che mi occorre per mantenerlo “in vita”?


CRITERIO DI DAWSON / 1

Risponde, nel 1957, Dawson: affinché una

reazione di fusione Deuterio-Trizio (la più

comune e conveniente) porti ad una

produzione netta di energia occorre che:

n TE >6 x 10^19 [s/m3]

Alla temperatura di 230 MILIONI DI GRADI CENTIGRADI

con: n = densità nucleare[1/m3]

TE = “tempo di confinamento dell‟energia” [s]


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CONDIZIONI PER LA FUSIONE

Semplificando, per realizzare la fusione

abbiamo bisogno di un gas molto denso e

molto caldo.

PLASMI / 1

Ma a tali temperature (milioni di gradi) c‟è un quarto

stato della materia da considerare.

Sappiamo che lo stato solido è quello ad energia

termica minore; fornendo calore (energia) ho il

passaggio allo stato liquido e fornendo ulteriore calore

(energia) passo allo stato gassoso.

Solido

(ghiaccio)

Liquido

(acqua)

Gas

(vapore)


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PLASMI / 2

Ebbene cedendo ulteriorecalore posso arrivare aspezzare non solo lemolecole, ma anche gliatomi stessi, separandodefinitivamente gli elettroni,che vengono strappati via eallontanati dal loro nucleo. Ilgas è ionizzato: compaionocioè principalmente ionipositivi (nuclei che hannoperso gli elettroni in orbita) eioni negativi (elettroni liberi).


PLASMI / 3

Se vogliamo fornire ai

singoli atomi di Deuterio

e di Trizio abbastanza

energia da superare la

Barriera di Coulomb e

raggiungere la fusione,

dobbiamo riscaldarli

molto e quindi creare un

plasma di Deuterio e

Trizio.


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ESTRATTO DALLA DISPENSA

La Materia di cui siamo fatti e nella quale viviamo si presentasolitamente in tre stati: solido, liquido, aeriforme: una medesimasostanza può assumere il primo o il secondo o il terzo stato aseconda dell'energia da essa posseduta, ovvero dellatemperatura a cui la sostanza si trova.

Qual è la differenza tra gas e plasma? Nel plasma le molecolesono dissociate in atomi e gli atomi sono in massima parteionizzati, ovvero i nuclei sono separati dagli elettroni. Il plasma èquindi una miscela di ioni, di elettroni e di atomi neutri, che adifferenza dei gas (composti quasi solamente di particelle neutre)è estremamente sensibile all’applicazione di campi elettrici emagnetici. La nostra esperienza delle condizioni nelle quali noiviviamo sulla Terra ci induce a ritenere il plasma uno statoeccezionale della materia.


CRITERIO DI DAWSON / 2

Il criterio di Dawson ha oggi solo valore storico, esistono parametri più efficaci per descrivere le caratteristiche del processo di fusione, come il fattore di guadagno Q:potenza prodotta da fusione /potenza immessa dall‟esterno

Con Q = 1 (pareggio) tutta l‟energia che immetto viene poi compensata dalla produzione di energia da fusione; con Q = ∞ (ignizione) il plasma si autosostiene.

In un ipotesi di generazione elettrica Q sarebbe compreso tra 10 e 100.


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CONFINAMENTO DEL PLASMA

Trovandosi a centinaia di milioni di gradi il plasma non può

entrare in contatto con alcun materiale, senza distruggerlo

immediatamente trasferendogli il calore posseduto ad

altissima temperatura.

Occorre confinare il plasma, mantenerlo cioè in una certa

posizione nel reattore in modo che non possa “fuggire”, senza

però “toccarlo” fisicamente.

Nel Sole è l‟enorme forza di gravità legata alla gigantesca

massa della stella che impedisce al plasma di allontanarsi e

disperdersi nell‟universo… ma sulla Terra, come fare?

Si sfrutta la natura del plasma, che è un gas ionizzato quindi

composto da ioni positivi e negativi, sensibili ai campi elettrici e

magnetici.Seminario di energetica | ITIS G. Marconi (Verona) | dott. Riccardo Maistrello

CONFINAMENTO MAGNETICO / 1

Su una carica elettrica sottoposta ad un campo magnetico è

esercitata una forza proporzionale all‟intensità del campo ed

alla velocità ed alla carica elettrica della particella.


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CONFINAMENTOMAGNETICO / 2

Possiamo quindi controllare la posizione ed il moto degli ioni che

compongono il plasma immergendoli in un campo magnetico B.

Questo campo viene tipicamente generato da un solenoide, una

“bobina”, percorsa da una corrente elettrica. Ma c‟è il problema

che le linee di campo divergono (si “aprono”) alle estremità e

soprattutto che il solenoide ha uno sviluppo longitudinale di

lunghezza finita: prima o poi gli ioni scapperebbero fuori dalle

estremità…



Gli ioni non “scappano fuori” dalle estremità se le unisco, se

cioè il percorso del plasma non ha né un inizio né una fine, è

cioè un percorso unico (tubo richiuso su sé stesso).

In realtà le particelle si urtano continuamente e quindi si

sviluppa comunque un moto di fuga radiale (dal centro verso

l‟esterno) ed inoltre la curvatura stretta del toro fa sì che le

particelle allarghino la propria traiettoria verso l‟esterno.


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La macchina utilizzata per lafusione funziona come untrasformatore, con unavvolgimento primario (avvoltointorno al nucleo) ed unsecondario (avvolto intorno altoro).

Un campo magnetico variabilepermette di sviluppare unaelevata forza elettromotriceche agisce sul gas inseritonella macchina (dove sono giàpresenti elettroni liberi) edinduce una scarica che ionizzail gas: ecco il plasma.


RISCALDAMENTO DEL PLASMA

Attivato il plasma, occorre riscaldarlo. Si

sfrutta per questo la legge di Ohm: una

corrente elettrica I (scarica nel gas) che

fluisce attraverso un corpo con una certa

resistenza R (plasma) sviluppa potenza

(termica) P = R x I^2

Ma il plasma è un ottimo conduttore, al

crescere della sua temperatura crolla la

sua resistività: non posso raggiungere le

temperature di fusione scaldandolo per

effetto della legge di Ohm.

Si ricorre anche a riscaldamenti a

radioonde o con fasci di atomi neutri ad

alta energia (MW = mln watt)Seminario di energetica | ITIS G. Marconi (Verona) | dott. Riccardo Maistrello

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JET (EUROPA/1983)– VISTA DELL’INTERNO

DETTAGLIO DELLE PARETI INTERNE DEL TORO

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VIS

TA D

ALL’

ES

TE

RN

O D

I U

NA

MA

CC

HIN

A T

OK

AM

AK

UNA MACCHINA COMPLESSA….

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TOKAMAK, JET, ITER, DEMO

ITER (in origine International Thermonuclear Experimental Reactor, inseguito usato nel significato originale latino, cammino) è un progettointernazionale che si propone di realizzare un reattore a fusionenucleare in grado di produrre più energia di quanta ne consumi perl'innesco e il sostentamento della reazione di fusione. Nello specifico,ITER è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma èottenuto in un campo magnetico all'interno di una macchinadenominata Tokamak.

La sua costruzione è attualmente in corso a Cadarache, nel Sud dellaFrancia da un consorzio di Unione europea, Russia, Cina, Giappone,Stati Uniti d'America, India e Corea del Sud. Il costo previsto è di 10miliardi di euro.

ITER è un reattore sperimentale, il cui scopo principale è l'ottenimentodi una reazione di fusione stabile (500 MW prodotti per una durata dicirca 60 minuti) validando e, se possibile, incrementando le attualiconoscenze sulla fisica del plasma. Inoltre, con ITER verrannocollaudate alcune soluzioni tecnologiche necessarie per la futuracentrale elettrica a fusione (DEMO).


ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE

Leggere bene e con molta attenzione la

presentazione, in ogni sua parte. Se possibile

approfondire le informazioni leggendo qualche parte

della dispensa del Consorzio RFX.

Fare l‟esercitazione nr. 5 (è l‟ultima del corso, fatela

bene).

Spendete due minuti per la valutazione della didattica

(blog del corso: Valutazione della didattica).

Segnalate sviste ed errori a: [email protected]


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