Istituto di fisica del plasma „Max Planck“ 1 Istituto di fisica del plasma „Max Planck“ Fusione nucleare – Ricerca sull'energia del futuro Status: 2018

Istituto di fisica del plasma „Max Planck“ 2 Istituto di fisica del plasma „Max Planck“ Photo: IPP IPP nel campus di Garching

Istituto di fisica del plasma „Max Planck“ 1960: fondazione 1994: fondazione dell‘istituto distaccato di Greifswald dell'IPP 1100 dipendenti: 700 a Garching, 400 a Greifswald Budget: 125 milioni di euro (2017) Esperimenti: - ASDEX Upgrade (Garching) - Wendelstein 7-X (Greifswald) Organizzazione: - istituto della „Società Max Planck“ - membro del programma europeo della fusione „EUROfusion“ - membro associativo della società „Helmholtz“ Obbiettivo: studiare i fondamenti fisici per una centrale a fusione 3

Video: Fusione 2100 Una classe nel 2100 guarda retrospettivamente allo svilupo della ricerca sulla fusione Photo: IPP to the video 

Fusione – la sorgente di energia del sole Nel sole ogni secondo vengono fuse 564 milioni di tonnellate di idrogeno generando 560 milioni di tonnellate di elio. Ogni secondo, 4 milioni di tonnellate di materia vengono convertite in energia e irraggiate. Photo: ESA & NASA

La fusione nucleare sulla terra Combustibile: Idrogeno pesante e superpesante: D + T = 4He + n Deuterio Trizio Graphic: Wykis, Wikipedia; IPP Elio Neutrone

La fusione nucleare sulla terra Deuterio: si può ricavare dall'acqua di mare Trizio: si può ricavare dal litio (crosta terrestre, oceani) 6Li + n = 4He + T 7Li + n = 4He + T + n Le riserve potrebbero durare per milioni di anni

(batteria di un notebook) Le reazioni di fusione hanno un elevato rendimento 40 tonnellate di carbone (320,000 kWh) Deuterio in 40 litri d'acqua 5 g di litio (batteria di un notebook) Graphic: IPP

Il problema I nuclei sono carichi positivamente. Per la fusione devono: • superare la repulsione elettrostatica ed arrivare a essere sufficientemente vicini per sentire le forze nucleari * temperatura di qualche 100 million °C • interagire frequentemente * necessario confinemento Deuterio Trizio + + + + Elio Neutrone

Che aspetto ha la materia a 100 milioni di gradi? solido fluido gassoso plasma temperatura Graphic: IPP

I plasmi hanno proprieta’ simili ai gas… Obbediscono alle leggi della termodinamica, per esempio alla legge dei gas perfetti… Temperatura: misura dell’energia media, ovvero della velocita’ media delle particelle del plasma. Densità: misura del numero medio di particelle nel plasma.

…ma sono composti da particelle con carica. Obbediscono alle leggi dell’elettrodinamica, per esempio alle equazioni di Maxwell… rispondono ai campi elettrici e magnetici. La forza di Lorentz provoca un moto a spirale lungo le linee di campo Il moto parallelo al campo magnetico non è influenzato Piegando le linee di campo ad anello Confinemento senza contatto con le pareti Graphic: IPP

Come imbottigliare il plasma? 1. Il Tokamak Il campo magnetico di un tokamak è prodotto da: Bobine apposite Corrente di plasma La corrente di plasma è indotta (da un transformatore) Operazione pulsata Per esempio: ASDEX Upgrade a Garching Graphic: IPP

ASDEX Upgrade a Garching 1414 ASDEX Upgrade a Garching Operativo dal 1991 Obiettivo: fisica del plasma in condizioni simili a quelle di una centrale Preparazione e support per il reattore sperimentale internazionale ITER Photo: IPP, Volker Steger

ASDEX Upgrade – camera di plasma Photo: IPP, Volker Rohde Go to the panorama  15

ASDEX Upgrade – scarica di plasma 1616 ASDEX Upgrade – scarica di plasma Photo: IPP

Come imbottigliare il plasma? 2. Lo Stellarator Tutto il campo magnetico e‘ prodotto da magneti esterni. I magneti sono molto complessi. „steady state operation“, ovvero durata illiminata della scarica. Per esempio: Wendelstein 7-X a Greifswald Inizio delle operazioni: 10 Dicembre 2015 Graphic: IPP

Wendelstein 7-X a Greifswald 1818 Wendelstein 7-X a Greifswald Photos: IPP Camera di plasma Magneti superconduttori

Costruzione di Wendelstein 7-X Photo: IPP, Bernhard Ludewig Maggio 2014: conclusa la costruzione primaria 19

Wendelstein 7-X – primo plasma di idrogeno Photo: IPP Cerimonia di inaugurazione, 3 Febbraio 2016 20

Wendelstein 7-X – primo plasma di idrogeno Photo: IPP 3 Febbraio 2016 21

Scopo della ricerca sulla fusione Plasma „acceso“: Raggiunta l'ignizione, le reazioni di fusione mantengono la temperatura necessaria da sè (nuclei di elio). I neutroni portano alle pareti l'energia utilizzabile. Condizioni: Temperatura: circa 200 milioni di gradi Densità: 1/250000 dell'aria (circa 3 bar di pressione) Tempo di confinamento dell'energia: qualche secondo

Qual è lo stato della ricerca sulla fusione oggi? Record: lo detiene il „Joint European Experiment“ JET • 1991 Energia da fusione termonucleare (D-T) per la prima volta la mondo. • 1997: 16 megawatts. • Fattore di guadagno Q = 0.61 Solo il reattore sperimentale ITER produrrà più energia di quanta ne serva per scaldare il plasma Fattore di guadagno: Q = 10 Graphic: IPP

Sito di ITER (Luglio 2017) Graphic: ITER Organisation

La centrale a fusione Graphic: IPP, Karin Hirl L'energia di fusione potrebbe essere disponibile dalla metà del 21esimo secolo, in caso di successo della ricerca

Sicurezza e impatto ambientale • Zero emissione di gas serra • Litio, deuterio e elio: non radioattivi • Trizio: radioattivo (T1/2 = 12.3 anni) solo 2 grammi nel reattore. • Al contrario delle centrali a fissione 1) Niente reazioni a catena 2) Niente meltdown del nocciolo • In caso di incidente i processi di fusione terminano immediatamente Una futura centrale a fusione non conterrà sorgenti di energia che possano distruggere un contenitore dal di dentro. L'impianto sarà sicuro in senso passivo.

Rifiuti • I neutroni della fusione attivano le pareti ⇒ controllabile con la scelta die materiali delle pareti • Il potenziale rischio biologico è basso • L'attività decresce rapidamente: Dopo circa 100 anni parte die materiali verrebbe riutilizzata per nuove centrali, il resto sarebbe eliminabile • in caso di riciclaggio di materiale non occorre un deposito finale Graphic: IPP

Abbiamo bisogno dell'energia dalla fusione? Rinnovabili e altre idrolettrica Energia nucleare fossile(carbone, petrolio, gas) Produzione mondiale di elettricità (1971 - 2014) Graphic: IEA, Key World Energy Statistics 2016

Altre informazioni Introduzione alla fusione nucleare: www.ipp.mpg.de/2285/en Video, presentazioni interacttive, depliant: www.ipp.mpg.de/15156/info Su ITER: www.iter.org Materiale per scuole superiori: www.fusenet.eu (Education) Studi sul clima: IPCC www.ipcc.ch Statistiche energetiche: IEA www.ies.org/stats/graphsearch.asp Contatti IPP: Servizio visite: ingrid.kaufmann@ipp.mpg.de Public relations: info@ipp.mpg.de Facebook: www.facebook.com/MaxPlanckInstitutFuerPlasmaphysik