Energia dalla FUSIONE Francesco Paolo Orsitto ENEA Frascati

Energia dalla FUSIONE? Francesco Paolo Orsitto ENEA Frascati F Orsitto INFN 5 ott 2006 1

IL sole e’ Un reattore a fusione di grandi dimensioni F Orsitto INFN 5 ott 2006 2

Scopo delle ricerche sulla fusione e’: creare un sorgente di energia simile a quella che sostiene il sole • Per ottenere energia da fusione sulla Terra dobbiamo partire da isotopi dell’idrogeno che reagiscono più facilmente: • Energia di reazione >> energia di ionizzazione il combustibile è allo stato di plasma (fluido completamente ionizzato). • Le particelle alfa (4 He++) sostengono il plasma (ignizione) se questo è abbastanza caldo, denso e ben confinato. • Temperatura T >10 ke. V (100 milioni di gradi); densità n e tempo di confinamento t tali che n t > 2 1020 sec/m 3. F Orsitto INFN 5 ott 2006 3

Outline • Concetti introduttivi • Confinamento magnetico: proprieta’, Schema di un Tokamak • Esperimenti esistenti attualmente funzionanti • Programma prossimi 25 anni : ITER F Orsitto INFN 5 ott 2006 4

Concetti introduttivi alla fusione a confinamento magnetico F Orsitto INFN 5 ott 2006 5

Reazioni di Fusione • • Vengono utilizzati due isotopi dell’idrogeno: Deuterio( 1 protone, 1 neutrone) e Trizio( 1 protone , 2 neutroni) La reazione di fusione e’: D+T-> He 4 ( 2 protoni, 2 neutroni) +neutrone + energia Etot_fus(DT)=17. 6 Me. V Ealfa/Efus = 1/5 He 4 = particelle alfa In un reattore per rigenerare il trizio Si usa un ‘blancket’ di composti di Litio Li 6 + n -> T + He 4 + 4. 8 Mev F Orsitto INFN 5 ott 2006 6

Confinamento magnetico • • • Il plasma deve essere confinato ed isolato Confinato: deve essere contenuto stabilmente Isolato : deve essere controllata la interazione con il contenitore che Le particelle spiralizzano attorno al campo in possa deteriorare le condizioni del traiettorie con un raggio transverso plasma, per esempio aumentando le impurezze r= m Vperp / e. B F Orsitto INFN 5 ott 2006 7

tokamak • In un plasma contenuto in un device toroidale con un campo magnetico assiale viene fatta fluire una corrente indotta da un trasformatore: risulta un campo magnetico con linee elicoidali che si chiudono su se stesse dopo un numero intero di giri in certe posizioni dette superfici razionali. F Orsitto INFN 5 ott 2006 8

Potenza dalla fusione a confinamento magnetico • Pfusione=1/4 nion 2 <s v> Efusione ~ (n. T)2 • <s v>~ T 2. • Pfusione = 1. 08 b 2 B 4. MW/m 3. • b=2 n. T / (B 2/2 m 0) = [pressione totale(ioni+elettroni) cinetica ] /pressione magnetica • Per es. (B 2/2 m 0) = 1 atmosfera @ B=0. 5 T • Tipico valore di beta b~1 -10% F Orsitto INFN 5 ott 2006 9

Tempo di confinamento t. E. • Tempo caratteristico (t. E ) della Perdita di energia per conduzione termica e’ definito: • PL = 3 n. T/ t. E. = ((3/2)ne. Te+(3/2)ni. Ti)/t. E Legge di scala confinamento magnetico per tokamaks ( H-mode) (Energia media/ grado di liberta’=1/2 T) F Orsitto INFN 5 ott 2006 10

FUSIONE: Obiettivi • Pareggio energia (Q=1) • Ignizione (Q>10) • (nt. ET)MIN~1021 m-3 s ke. V t. E~1 s, T~10 ke. V, n~1020 m-3. F Orsitto INFN 5 ott 2006 11

Commenti su Pfus vs (limiti di) beta Pfusione = 1. 08 b 2 B 4. MW/m 3. D+T→ a(3. 5 Me. V) + n(14. 1 Me. V) • Le particelle a sono particelle cariche, restano nel plasma e riscaldano il plasma, cedendo la loro energia per rilassamento collisionale. • I neutroni possono essere utilizzati per ricavare energia. b limitato dalla stabilita’MHD t. E limitato/regolato Dal trasporto turbolento F Orsitto INFN 5 ott 2006 12

Progressione di 5 ordini di grandezza nel fattore di merito nt. T della Fusione in 30 anni di sperimentazione nt. T cresciuto piu’ velocemente della energia degli acceleratori e della velocita’ di calcolo F Orsitto INFN 5 ott 2006 13

Regimi operativi del plasma di un tokamak: corrispondenza Profili di corrente ↔ profili di pressione q~B/I Profili di pressione = n. T E Joffrin and X Garbet Conf IAEA 2004 F Orsitto INFN 5 ott 2006 14

Macchine attualmente funzionanti F Orsitto INFN 5 ott 2006 15

Esperimenti sulla fusione in Italia FTU (Frascati) • Raggio maggiore R= 0. 94 m • Raggio minore a = 0. 3 m • Campo magnetico B = 8 T RFX (Padova) • Raggio maggiore R= 2 m • Raggio minore a = 0. 5 m • Campo toroidale. B = 0. 7 T F Orsitto INFN 5 ott 2006 16

JET(Joint European Torus) EFDA Culham science centre Oxfordshire(UK) F Orsitto INFN 5 ott 2006 17

Interno del JET senza plasma F Orsitto con plasma JET: La piu’ grande macchina Tokamak funzionante; corredata di impianti per operazione in DT INFN 5 ott 2006 18

Riscaldamento dovuto alle particelle alfa JET DT 1 F Orsitto INFN 5 ott 2006 19

Programma futuro F Orsitto INFN 5 ott 2006 20

Il progetto ITER • • R = 6. 2 m B = 5. 3 T Obiettivi: • Studiare plasmi parzialmente sostenuti dai prodotti di reazione. • Integrazione degli scenari (controllo, confinamento, carichi termici). • Sviluppo della tecnologia. ITER deve dimostrare la fattibilita’ Scenario con Q=10 in H-mode F Orsitto INFN 5 ott 2006 Produrre 450 MW di potenza 21

Ruolo di ITER F Orsitto INFN 5 ott 2006 22

ITER • ITER verra’ costruito a Cadarache ( sud. Francia, vicino Aix en Provence) • L’inizio della costruzione previsto nel 2007 • ITER e’ una collaborazione internazionale tra EU, USA, JA, RF, Cina, Corea • Costo stimato 6 BEURO • Tempo stimato per la costruzione 8 anni • Durata stimata di funzionamento 20 anni F Orsitto INFN 5 ott 2006 23