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#1 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Fabio Villone Associazione EURATOM/ENEA/CREATE DIEI Università degli.

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1 #1 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Fabio Villone Associazione EURATOM/ENEA/CREATE DIEI Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive

2 #2 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Sommario I problemi energetici e la fissione nucleare Che cosè la fusione Aspetti scientifici e tecnici della fusione La ricerca: breve storia e stato attuale Le prospettive future

3 #3 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione nucleare

4 #4 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le fonti energetiche I problemi energetici e la fissione Il consumo di energia mondiale sta crescendo, specialmente nei paesi in via di sviluppo World energy outlook 2011,

5 #5 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Come viene prodotta lenergia? I problemi energetici e la fissione Carbone Petrolio Gas Vento Geotermia Solare Idroelettrica Biomasse Nucleare World energy outlook 2011,

6 #6 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le energie non sono tutte uguali… I problemi energetici e la fissione Possiamo continuare a produrre energia elettrica con i combustibili fossili? Possiamo realmente rimpiazzarli con le fonti alternative? World energy outlook 2011,

7 #7 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Problemi con i combustibili fossili Inquinamento (gas serra, piogge acide) Risorse limitate (modello di Hubbert) Localizzazione geografica (problemi geopolitici) I problemi energetici e la fissione

8 #8 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le fonti alternative Possono realmente sostituire completamente i combustibili fossili ? I problemi energetici e la fissione

9 #9 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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) I problemi energetici e la fissione

10 #10 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fissione nucleare /2 I problemi energetici e la fissione Problema#1. Luranio è scarso Risposta#1: non più dei combustibili fossili… LItalia ha abbandonato la fissione nucleare (referendum popolari del 1987 e 2011) Decisione avventata? Fatti sullonda emotiva degli incidenti di Chernobyl e Fukushima (vedi oltre)

11 #11 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Elementi radioattivi /1 Elementi che decadono spontaneamente (si trasformano in altri elementi) emettendo particelle (nuclei di elio), particelle (elettroni), raggi (radiazioni energetiche) Pericolose per luomo: –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… I problemi energetici e la fissione

12 #12 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Elementi radioattivi /2 Problema#2. Luranio 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) I problemi energetici e la fissione

13 #13 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Incidenti /1 Three Mile Island: nessuna conseguenza Chernobyl: lincidente 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!) I problemi energetici e la fissione

14 #14 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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 I problemi energetici e la fissione

15 #15 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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?) I problemi energetici e la fissione

16 #16 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cosè la fusione

17 #17 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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=mc 2 Che cosè la fusione di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921)

18 #18 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fusione avviene già… Nel sole e nelle altre stelleSulla terra nella bomba H Che cosè la fusione

19 #19 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le reazioni di fusione più facili: D + T -----> 4 He + n D + D -----> 3 He + n D + D -----> T+ H Il Deuterio è contenuto nellacqua Il Trizio si produce dal Litio con la reazione 6 Li + n --> 4 He + T 7 Li + n --> 4 He + T + n Deuterio (D) – Trizio (T) coinvolgono gli isotopi dellidrogeno Che cosè la fusione

20 #20 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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 /1 Che cosè la fusione

21 #21 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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 fusione Possibile in principio: ci si sta lavorando Che cosè la fusione

22 #22 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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 Che cosè la fusione Fleischmann - Pons, 1989

23 #23 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Come avviene la fusione /4 Terza 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 Che cosè la fusione

24 #24 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fusione termonucleare controllata: aspetti scientifici e tecnici

25 #25 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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 #26 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I plasmi sono ovunque … … ma come produrre e dove contenere un plasma così caldo? La fusione termonucleare controllata

27 #27 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il riscaldamento Si fa percorrere il plasma da una corrente elettrica di milioni di Ampére tramite un opportuno trasformatore (riscaldamento ohmico per effetto Joule) Si utilizzano radiazioni elettromagnetiche (riscaldamento a radiofrequenza come un forno a microonde) La fusione termonucleare controllata

28 #28 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il confinamento magnetico Le particelle cariche in presenza di un campo magnetico non sono libere nel loro moto, ma spiralizzano lungo le linee di forza In questo modo possiamo confinare il plasma senza che urti le pareti circostanti La fusione termonucleare controllata

29 #29 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il tokamak Si dà al plasma una formaa ciambella (toroidale) per evitare la fuoriuscita di particelle тороидальная камера с магнитными катушками Camera toroidale a bobine magnetiche Inventato negli anni dal fisico russo Andrei Sakharov (premio Nobel per la pace nel 1975) La fusione termonucleare controllata

30 #30 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Componenti di un reattore Plasma Vessel Blanket Magneti Sistemi di riscaldamento Alimentazioni Scambiatori di calore e turbine La fusione termonucleare controllata

31 #31 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Utilizza combustibili che sono abbondanti ed ampiamente disponibili in tutto il mondo. Il Deuterio contenuto nellacqua 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 /1 La fusione termonucleare controllata

32 #32 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I potenziali vantaggi /2 La fusione termonucleare controllata La fusione non produce gas responsabili delleffetto serra (C0 2 ) o delle piogge acide (S0 2, N0 2 ) La fusione è adatta alla produzione di energia elettrica su larga scala

33 #33 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I potenziali vantaggi /3 La fusione termonucleare 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 nellambiente

34 #34 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione: breve storia e stato attuale

35 #35 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Capire la fusione La 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=mc 2 ) A. Einstein, Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, Annalen der Physik 18, 639– : 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 #36 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Realizzare la fusione /1 La 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 : 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 #37 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Realizzare la fusione /2 La ricerca sulla fusione 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 #38 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Realizzare la fusione /3 La ricerca sulla fusione 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 #39 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Alcuni record della fusione La ricerca sulla fusione

40 #40 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La macchina del record Progettato negli anni 70 Iniziato a costruire nel 1978 Operativo dal 1983 Soggetto a molte migliorie per seguire lo stato delle conoscenze Alcune peculiarità tecniche lo rendono ancora oggi pressoché unico nel panorama della ricerca sulla fusione La ricerca sulla fusione

41 #41 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione 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, lEnergia e lAmbiente)

42 #42 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione 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 #43 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione La fusione in Italia /3 Vari istituti di ricerca si occupano in Italia di ricerca teorica e sperimentale sulla fusione, facendo parte dellAssociazione EURATOM che coordina la ricerca europea del settore: ENEA (FTU), CNR (RFX), Università, Consorzi Consorzio CREATE: (Consorzio di Ricerca per lEnergia le Applicazioni Tecnologiche dellElettromagnetismo) LUniversità di Cassino è tra i soci e fa quindi parte dellAssociazione EURATOM Corsi dedicati alla fusione (laurea magistrale ing. elettrica) Visite guidate, stage, tirocini, tesi di laurea

44 #44 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le prospettive future

45 #45 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il prossimo passo: ITER /1 Le 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 #46 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il prossimo passo: ITER /2 Le prospettive future Una cooperazione internazionale per fare un balzo in avanti

47 #47 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il prossimo passo: ITER /3 Le prospettive future 1985: Michail Gorbaciov propose a Ronald Reagan di perseguire un progetto per lo sfruttamento pacifico della fusione 1988: inizio del progetto concettuale : 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 lardua sentenza…

48 #48 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Il prossimo passo: ITER /4 Le prospettive future = 10 MILIARDI DI EURO Costoso? 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 #49 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive 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) : operazione di ITER Dopo ITER: DEMO Dimostrare leffettiva 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 #50 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Fusion will be there when society needs it (Lev Artsimovich) Grazie per lattenzione Fabio Villone, (Corso di Plasmi e fusione termonucleare controllata, Laurea Magistrale Ingegneria Elettrica)

51 #51 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Backup slides

52 #52 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Quando la fusione? /1 Le 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 #53 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Quando la fusione? /2 Le prospettive future La prospettiva di realizzare ITER ha bloccato per oltre un decennio lavanzamento nella realizzazione di ulteriori dispositivi per problemi politici ed economici Gli unici dispositivi che attualmente sono in costruzione o allinizio delle operazioni sono o alternativi (stellarator) o di taglia medio-piccola nei paesi dellestremo oriente (Cina e Corea) LEuropa 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 #54 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Per riassumere… Le prospettive future Anni 20 –40: comprensione del fenomeno Anni 50 –60: studi sperimentali pioneristici Anni 70 –80: the tokamak era Anni : Aspettando Godot Anni : ITER & satellite Anni 2030 e oltre: DEMO & more?


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