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 villone@unicas.it

Sommario I problemi energetici e la fissione nucleare Che cos’è la fusione Aspetti scientifici e tecnici della fusione La ricerca: breve storia e stato attuale Le prospettive future

I problemi energetici e la fissione nucleare

World energy outlook 2011, www.eia.gov I problemi energetici e la fissione Le fonti energetiche Il consumo di energia mondiale sta crescendo, specialmente nei paesi in via di sviluppo World energy outlook 2011, www.eia.gov

Come viene prodotta l’energia? I problemi energetici e la fissione Come viene prodotta l’energia? Carbone Petrolio Gas Vento Geotermia Solare Idroelettrica Biomasse Nucleare World energy outlook 2011, www.eia.gov

Le energie non sono tutte uguali… I problemi energetici e la fissione Le energie non sono tutte uguali… Possiamo continuare a produrre energia elettrica con i combustibili fossili? Possiamo realmente rimpiazzarli con le fonti “alternative”? World energy outlook 2011, www.eia.gov

Problemi con i combustibili fossili I problemi energetici e la fissione Problemi con i combustibili fossili Inquinamento (gas serra, piogge acide) Risorse limitate (modello di Hubbert) Localizzazione geografica (problemi geopolitici)

Le fonti “alternative” I problemi energetici e la fissione Le fonti “alternative” Possono realmente sostituire completamente i combustibili fossili ?

I problemi energetici e la fissione 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)

La fissione nucleare /2 Problema#1. L’uranio è scarso I problemi energetici e la fissione La fissione nucleare /2 Problema#1. L’uranio è scarso Risposta#1: non più dei combustibili fossili… L’Italia ha abbandonato la fissione nucleare (referendum popolari del 1987 e 2011) Decisione avventata? Fatti sull’onda emotiva degli incidenti di Chernobyl e Fukushima (vedi oltre)

Elementi radioattivi /1 I problemi energetici e la fissione Elementi radioattivi /1 Elementi che decadono spontaneamente (si trasformano in altri elementi) emettendo particelle  (nuclei di elio), particelle  (elettroni), raggi  (radiazioni energetiche) Pericolose per l’uomo: 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…

Elementi radioattivi /2 I problemi energetici e la fissione Elementi radioattivi /2 Problema#2. L’uranio 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)

Incidenti /1 Three Mile Island: nessuna conseguenza I problemi energetici e la fissione Incidenti /1 Three Mile Island: nessuna conseguenza Chernobyl: “l’incidente 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!)

Incidenti /2 Chernobyl Fukushima I problemi energetici e la fissione 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 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?)

Che cos’è la fusione

di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921) Che cos’è la fusione Le reazioni di fusione La fusione nucleare é il processo nel quale nuclei di elementi leggeri si fondono insieme per formare nuclei più pesanti Il difetto di massa viene trasformato in energia secondo la formula più famosa del mondo: E=mc2 di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921)

La fusione avviene già… Che cos’è la fusione La fusione avviene già… Nel sole e nelle altre stelle Sulla terra nella bomba H

Deuterio (D) – Trizio (T) Che cos’è la fusione Deuterio (D) – Trizio (T) Le reazioni di fusione più “facili”: D + T -----> 4He + n D + D -----> 3He + n D + D -----> T+ H coinvolgono gli isotopi dell’idrogeno Il Deuterio è contenuto nell’acqua Il Trizio si produce dal Litio con la reazione 6Li + n --> 4He + T 7Li + n --> 4He + T + n

Come avviene la fusione /1 Che cos’è la fusione Come avviene la fusione /1 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 /2 Che cos’è la fusione 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

Come avviene la fusione /3 Che cos’è la fusione 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 Fleischmann - Pons, 1989

Come avviene la fusione /4 Che cos’è la fusione 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

La fusione termonucleare controllata: aspetti scientifici e tecnici

I nuclei e gli elettroni diventano indipendenti La fusione termonucleare controllata 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

… ma come produrre e dove contenere un plasma così caldo? La fusione termonucleare controllata I plasmi sono ovunque … … ma come produrre e dove contenere un plasma così caldo?

La fusione termonucleare controllata 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”)

Il confinamento magnetico La fusione termonucleare controllata 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 Il tokamak Si dà al plasma una forma “a ciambella” (toroidale) per evitare la fuoriuscita di particelle Inventato negli anni ’50-’60 dal fisico russo Andrei Sakharov (premio Nobel per la pace nel 1975) тороидальная камера с магнитными катушками Camera toroidale a bobine magnetiche

Componenti di un reattore La fusione termonucleare controllata Componenti di un reattore Plasma Vessel Blanket Magneti Sistemi di riscaldamento Alimentazioni Scambiatori di calore e turbine

I potenziali vantaggi /1 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /1 Utilizza combustibili che sono abbondanti ed ampiamente disponibili in tutto il mondo. Il Deuterio contenuto nell’acqua 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 /2 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /2 La fusione non produce gas responsabili dell’effetto serra (C02) o delle piogge acide (S02, N02) La fusione è adatta alla produzione di energia elettrica su larga scala

I potenziali vantaggi /3 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /3 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 nell’ambiente

La ricerca sulla fusione: breve storia e stato attuale

La ricerca sulla fusione “Capire” la fusione Fino al XIX secolo, non si sapeva come il sole producesse energia (combustione, collasso gravitazionale,…) 1905 (annus mirabilis): equivalenza massa energia (E=mc2) A. Einstein, “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?”, Annalen der Physik 18, 639–641 1920: 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)

“Realizzare” la fusione /1 La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /1 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 1952-53: 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)

“Realizzare” la fusione /2 La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /2 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.

“Realizzare” la fusione /3 La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /3 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!)

Alcuni record della fusione La ricerca sulla fusione Alcuni record della fusione

La macchina del record Progettato negli anni ‘70 La ricerca sulla fusione 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 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, l’Energia e l’Ambiente)

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)

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 dell’Associazione EURATOM che coordina la ricerca europea del settore: ENEA (FTU), CNR (RFX), Università, Consorzi Consorzio CREATE: (Consorzio di Ricerca per l’Energia le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo) L’Università di Cassino è tra i soci e fa quindi parte dell’Associazione EURATOM Corsi dedicati alla fusione (laurea magistrale ing. elettrica) Visite guidate, stage, tirocini, tesi di laurea

Le prospettive future

Il prossimo passo: ITER /1 Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /1 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, …)

Il prossimo passo: ITER /2 Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /2 Una cooperazione internazionale per fare un balzo in avanti

Il prossimo passo: ITER /3 Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /3 1985: Michail Gorbaciov propose a Ronald Reagan di perseguire un progetto per lo sfruttamento pacifico della fusione 1988: inizio del progetto concettuale 1992-2001: 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 l’ardua sentenza…

= Il prossimo passo: ITER /4 10 MILIARDI DI EURO Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /4 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 !) =

Quando la fusione? Rebus sic stantibus, qual è la prospettiva? Le prospettive future Quando la fusione? Rebus sic stantibus, qual è la prospettiva?  2020: fine costruzione ITER  2015: in operazione un “satellite” di ITER (forse in Italia: FAST) 2020-2040: operazione di ITER Dopo ITER: DEMO Dimostrare l’effettiva 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…

“Fusion will be there when society needs it” (Lev Artsimovich) Grazie per l’attenzione Fabio Villone, villone@unicas.it (Corso di “Plasmi e fusione termonucleare controllata”, Laurea Magistrale Ingegneria Elettrica)

Backup slides

Le prospettive future Quando la fusione? /1 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?

Le prospettive future Quando la fusione? /2 La prospettiva di realizzare ITER ha “bloccato” per oltre un decennio l’avanzamento nella realizzazione di ulteriori dispositivi per problemi politici ed economici Gli unici dispositivi che attualmente sono in costruzione o all’inizio delle operazioni sono o “alternativi” (stellarator) o di taglia “medio-piccola” nei paesi dell’estremo oriente (Cina e Corea) L’Europa 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? …

Per riassumere… Anni ’20 –’40: comprensione del fenomeno Le prospettive future Per riassumere… Anni ’20 –’40: comprensione del fenomeno Anni ’50 –’60: studi sperimentali pioneristici Anni ’70 –’80: the tokamak era Anni ’90-2000: “Aspettando Godot” Anni 2010-2020: ITER & satellite Anni 2030 e oltre: DEMO & more?