ENEA ed enti di ricerca nazionali F. Alladio, CR-Frascati ENEA Dipartimento Fusione e Presidio Nucleare (Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione) Stato dei programmi: Energia nucleare da Fusione Energia nucleare da Fissione Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Fusione Nucleare di interesse perche’ non Il costante aumento del costo del petrolio, il forte incremento dei consumi in Asia, le preoccupazioni ambientali e di sicurezza di approvvigionamento energetico, la lenta penetrazione delle energie rinnovabili stanno spingendo molti paesi al rilancio dell’energia nucleare Fusione Nucleare di interesse perche’ non produrrebbe attinidi come scorie Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Dieci sfide per il secolo Physics World, Novembre 1999 Quantum gravity presents the ultimate challenge to theorists Explaining high-Tc superconductors Unstable nuclei reveal the need for a complete theory of the nucleus Realizing the potential of fusion energy Climate prediction is heavy weather Turbulence nears a final answer Glass physics: still not transparent Solar magnetic field poses problems Complexity, catastrophe and physics Consciousness: the physicist's view Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

L’esito del ciclo di Bethe: 1H+1H+1H+1H  4He + 25 MeV. Un reattore a fusione di grandi dimensioni (a volte non controllato, vedi esplosioni stellari) L’esito del ciclo di Bethe: 1H+1H+1H+1H  4He + 25 MeV. Il ciclo di Bethe e gli altri che partono dall’idrogeno richiedono grandi densità e grandi dimensioni = confinamento gravitazionale. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

La reazione Deuterio-Trizio 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. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Il confinamento magnetico del plasma Le particelle cariche del plasma seguono strette orbite a spirale attorno alle linee di campo. Il plasma si diffonde attraverso il campo se collisioni o effetti collettivi spezzano le orbite. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Confinamento del plasma lungo il campo magnetico Superficie solare MAST (tokamak sferico, UK) Filament state of magnetic field usual way for plasma to avoid magnetic inibition of convective overturning! Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Domande per il futuro Si possono evitare le instabilità distruttive? Si può distribuire il carico termico? Si può controllare il plasma ignito? JET Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Evoluzione del tokamak (1) 1960 Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Evoluzione del tokamak (2) 1980 Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Evoluzione del tokamak (3) 1990 Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Progresso da T3 a JET Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Avvicinamento all’ignizione Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Il progetto IGNITOR R = 1.32 m B = 13 T Obiettivi: Dimostrare l’ignizione di un plasma a confinamento magnetico. Ottimizzare le strategie di accensione. Sviluppare metodi di controllo del plasma acceso. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

IGNITOR Even if not included in the European strategy for fusion, during the last years ENEA carried out the study of IGNITOR machine. The detailed design of its load assembly and largest/most expensive components/subsystems has been almost completed. Prosecution of the activity is depending on top level political decisions. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

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. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

In this frame, the participation in ITER construction and exploitation, including Broader Approach, as well as in the European accompanying program and in the technology development oriented to the development of materials and systems for the DEMO reactor and IFMIF are the driven elements of the ENEA fusion program. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

The fusion activities performed and planned by the Italian Fusion Association (ENEA-CNR-Consorzio RFX) have been defined accordingly to the European strategy Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

FTU ENEA - CR Frascati Circular Tokamak (R/a=0.93/0.3m): Liquid Lithium, Toroidal Limiters Magnetic Field 8T (cryo-Cu), Plasma Current 1.6 MA, Pulse length 1.5s LHCD (8 GHz/2.5MW), ECRH(140 GHz/1.6MW), IBW(433 MHz/0.5MW) Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

JT60-SA The future Japanese Tokamak JT60-SA will be operated in the framework of the ITER accompanying programmes. ENEA, in collaboration with the French CEA, is in charge of the design and manufacture of the 18 superconducting TF coils for the machine. The conceptual design of the conductor and preliminary characterizations of available NbTi strands have been already carried out. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Innovative concepts Besides the activities related to the European strategy, important experiment based on innovative concept are in progress. In this frame an experiment called ‘Proto-sphera’ is in construction. This experiment aimes at realising a spheromak magnetic configuration utilising a screw pinch as centerpost which constitute for this kind of machine a very critical component. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

The Spherical Tokamak (ST) is a magnetic confinement configuration that provides plasma pressure much higher than conventional tokamaks Severe space constraints for material center column: • No space for central solenoid • No neutrons shield (no superconductor) PROTO-SPHERA: a plasma central column Requires electrodes and plasma self-organization! Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Driven relaxation of Plasma Central Column forms & sustains the ST “Smoke-ring like self-organization” PROTO-SPHERA PCC electrode current Ie=60 kA ST toroidal current IST=240 kA ST diameter Rsph=0.7 m Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

NUCLEARE da FISSIONE Il programma di ricerca si prefigge di contribuire a ricreare le competenze e le capacità industriali affinché il Paese sia in grado di partecipare alla progettazione e realizzazione degli impianti di GEN III e di GEN IV nel caso essi soddisfino i criteri di: Sostenibilità Economia, Sicurezza e affidabilità Resistenza alla proliferazione e protezione fisica. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

ITALIA L’Italia dopo la seconda guerra mondiale fu tra i primi paesi che più prontamente si mossero in direzione dell’energia nucleare. Negli anni ‘50 e ‘60 vennero costruiti diversi reattori di ricerca e tre centrali nucleari di potenza basate su tre diverse tecnologie con l’intento di verificare sul campo la filiera più idonea per il nostro Paese. Anni ’80: Entrata in funzione della centrale di Caorso (800 MWe) Avanzata realizzazione della Centrale di Montalto di Castro (due reattori ad acqua bollente (BWR) da 1.000 MWe ciascuno) Completamento del Progetto Unificato Nazionale (PUN) per la realizzazione di impianti ad acqua pressurizzata (PWR) di seconda generazione. 1986: Incidente di Chernobyl che divenne il motore di una vasta mobilitazione antinucleare. 1987: REFERENDUM Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

I paesi asiatici non hanno mai interrotto la realizzazione di impianti nucleari, ma la novità è costituita dal rinnovato interesse di Europa e USA, dopo una lunga stasi di ordini di nuovi impianti nel mondo occidentale durata circa venti anni, in gran parte dovuta a ragioni economiche e di politica industriale, ed alla tendenza generalizzata alla privatizzazione ed alla liberalizzazione, anche per infrastrutture strategiche come quelle energetiche. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

USA (I) Negli USA è attesa, entro il 2008, la ripresa degli ordini di nuovi impianti. Le utilities hanno presentato svariate richieste di Early Site Permits e recentemente hanno anche avviato l’iter per l’ottenimento di tre Combined Operating Licenses. Sul fronte governativo, il DOE ha lanciato nel 2000 la nota iniziativa Generation IV per lo sviluppo di reattori di quarta generazione che dovrebbero entrare in operazione tra il 2025 ed il 2035 Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Nel 2006 l’amministrazione americana ha annunciato una nuova iniziativa nucleare denominata GNEP Global Nuclear Energy Partnership che prevede un primo stanziamento di 250 milioni di dollari nel bilancio 2007 Con GNEP si intende dare l’avvio ad una strategia globale di gestione del ciclo nucleare che prevede, da un lato l’utilizzo di reattori di piccola taglia per i paesi in via di sviluppo e, dall’altro, il rilancio della filiera veloce unitamente al riciclo del combustibile per produrre più energia, minimizzando nel contempo i rifiuti radioattivi ed i rischi di proliferazione. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

CINA In Cina il governo ha in programma la realizzazione di più di 30 centrali nei prossimi 10 anni. Sono stati recentemente piazzati gli ordini per quattro unità “replica”. L’industria italiana è ampiamente coinvolta in quest’ultima offerta. INDIA L’India, che attualmente ha circa 2.500 MWe nucleari installati, prevede di aumentare questa capacità di 10 volte al 2022, e di ben 100 volte a metà secolo. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

I PROGRAMMI EUROPEI ED INTERNAZIONALI DI RIFERIMENTO A partire dagli studi concettuali degli anni ‘90 effettuati dal Prof. Carlo Rubbia e dal suo team del CERN sul sistema nucleare denominato “Energy Amplifier” e dalle conclusioni dello European Technical Working Group sull’ADS, l’ENEA, unitamente a INFN, Ansaldo, ed altri negli ultimi 10 anni sono stati impegnati, a livello nazionale ed europeo, sullo sviluppo di un sistema nucleare sottocritico raffreddato a metallo liquido pesante mirato al bruciamento dei rifiuti radioattivi ad alta attività. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

SNF_TP – Sustainable Nuclear Fission Technology Platform In Europa questa nuova fase si sta estrinsecando nei seguenti progetti in corso del VI Programma Quadro Euratom (e nel loro follow-up previsto nel VII PQ) che vedono, ancora una volta, le organizzazioni italiane in posizioni preminenti: EUROTRANS - EUROpean Research Programme for the TRANSmutation of High Level Nuclear Waste in an Accelerator Driven System EUROPART – EUROpean Research Programme for the PARTitioning of Minor Actinides and some Long-lived Fission Products from high active waste issuing the reprocessing of spent nuclear fuels”: SNF_TP – Sustainable Nuclear Fission Technology Platform PATEROS – PArtitioning and Transmutation, European ROadmap for Sustainable nuclear energy: ELSY – European Lead-cooled System (coordinatore Ansaldo Nucleare) VELLA – Virtual European Lead Laboratory (coordinatore ENEA) MEGAPIE - Megawatt post irradiation experiment . Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

I PROGRAMMI NAZIONALI Il fatto più rilevante a livello nazionale è rappresentato dall’AdP sottoposto da ENEA al Ministero dello Sviluppo Economico – a valere sul fondo per il finanziamento delle attività di ricerca e di sviluppo di interesse generale per il sistema elettrico - che, coerentemente coi temi individuati dal “Piano Triennale della Ricerca di Sistema Elettrico e Piano Operativo Annuale”, prevede, per il primo anno, un finanziamento di 5,5 M€ per attività nazionali da inquadrare nell’ambito di progetti internazionali sul nuovo nucleare da fissione. Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007

Attivita’ di programma Europee ed Internazionali CONCLUSIONI Attivita’ di programma Europee ed Internazionali di dimensione industriale, con forte spinta “politica” Attivita’ di ricerca innovative ed “artigianali” forse possono sopravvivere ai margini delle prime Alumni Fisica Pisa- 30 Aprile 2007