Il sole in laboratorio: la fusione nucleare Associazione EURATOM-ENEA sulla fusione Il sole in laboratorio: la fusione nucleare M. Romanelli Presentazione scritta da M. Romanelli & A. Cucchiaro 7/5/2002 mromanelli@frascati.enea.it

Reazioni di fusione nucleare Una reazione di fusione nucleare consiste nell’interazione di due nuclei di elementi chimici leggeri che si trasformano nel nucleo di un elemento chimico più pesante Esempio di reazione: D + T → He4 + n + 17.6 MeV

Reazioni di fissione nucleare Una reazione di fissione nucleare consiste nella scissione di un nucleo pesante in due nuclei più leggeri. Dalla rottura del nucleo origina una grande quantità di energia. Questa reazione è usata nei reattori delle attuali centrali “nucleari”

Perché ci interessano le reazioni di fusione nucleare ? Dalle reazioni di fusione nucleare come da quelle di fissione si ricava una grande quantità di energia grazie alla trasformazione di massa in energia. Esempio di reazione: D + T → He4 + n + 17.6 MeV

Centrali elettriche a fusione Il calore ricavato dalle reazioni di fusione nucleare potrà essere trasformato in elettricità in nuove centrali che sostituiranno le centrali elettriche tradizionali. La reazione di fusione da impiegare nel reattore coinvolgerà isotopi dell’idrogeno (D – T) D + T → He4 + n + 17.6 MeV

Vantaggi delle Centrali a fusione Sicure Non producono scorie radioattive (soltanto le strutture del reattore) Non producono gas serra (CO2) Abbondanza e disponibilità dei combustibili (acqua) Producono una quantità enorme di energia

Un esempio di reattore a fusione Il Sole produce tutta l’energia necessaria al nostro pianeta. Questa energia è generata attraverso reazioni di fusione nucleare

Di che cosa è fatto il Sole ? Il Sole è fatto di idrogeno ed elio, l’altissima temperatura dovuta alla compressione gravitazionale (milioni di gradi centigradi) fa si che l’idrogeno e l’elio del Sole si trovino nello stato di plasma

Le reazioni di fusione nel Sole Le reazioni di fusione nucleare nel Sole avvengono molto lentamente e consentono la vita della stella che altrimenti imploderebbe per attrazione gravitazionale verso il nucleo

Di che cosa abbiamo bisogno per fare un reattore a fusione in laboratorio ? Il Sole confina il plasma di idrogeno ed elio ad altissima temperatura per un tempo lungo grazie al suo intenso campo gravitazionale In un plasma i nuclei sono liberi di incontrarsi e fondersi, l’alta temperatura aumenta la probabilità degli incontri … comunque è necessario confinare questo sistema per un tempo lungo affinchè avvengano numerose reazioni

Come si realizzano queste condizioni In laboratorio non possiamo creare intensi campi gravitazionali … allora dobbiamo usare altre tecniche: confinamento magnetico o confinamento inerziale

Confinamento magnetico Il confinamento magnetico sfrutta il fatto che il plasma è costituito da particelle cariche e che queste sono soggette alla forza di Lorentz

Il tokamak La macchina più studiata per il confinamento magnetico è il Tokamak. La camera a ciambella viene riempita di idrogeno, una scarica indotta crea il plasma che viene confinato dall’intenso campo magnetico.

Il tokamak del C.R. Frascati FT Nel 1977 entrò in funzione a Frascati la macchina FT, Frascati Tokamak, caratterizzato dalla compattezza (r=0.2 m), dall'alto valore del campo magnetico (10 Tesla), e dalla corrente elevata. Frascati si collocava così nel panorama dei laboratori leader nella ricerca sulla fusione.

Il tokamak del C.R. Frascati FTU L’attuale Tokamak di Frascati si chiama FTU è entrato in funzione nel 1989. Il campo magnetico confinante è di 8 T, la corrente di plasma è di 1.6 MA e il raggio maggiore è di 0.93 m. Un gran numero di diagnostiche consentono di effettuare le difficili misure sul plasma di densità, temperatura, radiazione etc.

Sistemi di riscaldamento ausiliario Antenne che propagano onde radio nel plasma di FTU possono fornirgli fino a 5 MW di potenza ausiliaria. Tre sistemi diversi sono impiegati su FTU caratterizzati dalla loro frequenza (433 MHz, 8 GHz e 140 GHz)

Esperimenti su FTU Gli esperimenti su FTU ci permettono di studiare tra le altre cose la stabilità del plasma, le proprietà di trasporto e l’ottimizzazione dei sistemi di riscaldamento ausiliario

Il Tokamak Europeo JET ENEA è uno dei principali partner del progetto Tokamak Europeo JET (GB) ed i ricercatori del C.R. Frascati collaborano attivamente ai programmi sperimentali che si svolgono al JET. http://www.jet.efda.org/

Conclusione Ulteriori informazioni sulle attività di ricerca nel campo della fusione all’ENEA si possono trovare nel sito www.frascati.enea.it e in campo europeo su www.jet.uk C’è ancora molta ricerca da fare nel campo della fisica del plasma e della fusione … in futuro voi stessi potreste dare un contributo fondamentale in questo campo!! Buona visita ai laboratori della dusione di Frascati