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

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

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 (4He++) sostengono il plasma (ignizione) se questo è abbastanza caldo, denso e ben confinato. Temperatura T >10 keV (100 milioni di gradi); densità n e tempo di confinamento t tali che n  t > 21020sec/m3. F Orsitto INFN 5 ott 2006

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

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

Reazioni di Fusione Vengono utilizzati due isotopi dell’idrogeno: Deuterio( 1protone, 1neutrone) e Trizio( 1 protone , 2 neutroni) La reazione di fusione e’: D+T-> He4 ( 2 protoni, 2 neutroni) +neutrone + energia Etot_fus(DT)=17.6MeV Ealfa/Efus = 1/5 He4 = particelle alfa In un reattore per rigenerare il trizio Si usa un ‘blancket’ di composti di Litio Li6 + n -> T + He4 + 4.8Mev F Orsitto INFN 5 ott 2006

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

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

Potenza dalla fusione a confinamento magnetico Pfusione=1/4 nion2 <s v> Efusione ~ (nT)2 <s v>~ T 2. Pfusione = 1.08 b2 B4. MW/m3. b=2 nT / (B2/2m0) = [pressione totale(ioni+elettroni) cinetica ] /pressione magnetica Per es. (B2/2m0) = 1 atmosfera @ B=0.5T Tipico valore di beta b~1-10% F Orsitto INFN 5 ott 2006

Tempo di confinamento tE. Legge di scala confinamento magnetico per tokamaks ( H-mode) Tempo caratteristico (tE ) della Perdita di energia per conduzione termica e’ definito: PL = 3nT/ tE.= ((3/2)neTe+(3/2)niTi)/tE (Energia media/ grado di liberta’=1/2 T) F Orsitto INFN 5 ott 2006

FUSIONE: Obiettivi Ignizione (Q>10) Pareggio energia (Q=1) (ntET)MIN~1021 m-3 s keV tE~1s, T~10keV,n~1020 m-3. F Orsitto INFN 5 ott 2006

Commenti su Pfus vs (limiti di) beta Pfusione = 1.08 b2 B4. MW/m3. D+T→ a(3.5MeV) + n(14.1MeV) 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 tE limitato/regolato Dal trasporto turbolento F Orsitto INFN 5 ott 2006

Progressione di 5 ordini di grandezza nel fattore di merito ntT della Fusione in 30 anni di sperimentazione ntT cresciuto piu’ velocemente della energia degli acceleratori e della velocita’ di calcolo F Orsitto INFN 5 ott 2006

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

Macchine attualmente funzionanti F Orsitto INFN 5 ott 2006

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 toroidaleB = 0.7 T F Orsitto INFN 5 ott 2006

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

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

Riscaldamento dovuto alle particelle alfa JET DT1 F Orsitto INFN 5 ott 2006

Programma futuro F Orsitto INFN 5 ott 2006

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 Produrre 450MW di potenza F Orsitto INFN 5 ott 2006

Ruolo di ITER F Orsitto INFN 5 ott 2006

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 6BEURO Tempo stimato per la costruzione 8anni Durata stimata di funzionamento 20 anni F Orsitto INFN 5 ott 2006