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roberta-agnoli
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IntroduzioneIntroduzione allaalla ricercaricerca sullasullafusionefusione termonuclearetermonucleare
controllatacontrollata e e allall’’esperimentoesperimentoRFXRFX--modmod
Consumo proConsumo pro--capite e qualitcapite e qualitàà della vitadella vita
� Indice di sviluppo umano: speranza di vita, alfabetizzazione, reddito pro capite
� Soglia consumo procapite e qualità della vita
� Ingresso Paesi in via di sviluppo e sottosviluppati durante prossimi 50 anni, 80% popolazione mondiale
Motivazioni per studiare nuove Motivazioni per studiare nuove fonti energetichefonti energetiche
IDROCARBURI
Attualmente circa l’ 80% dell’energia
è prodotta daidrocarburi:
carbone, petrolio, gas metano
Italia:
- dipende da petrolio per il 49%- dal gas naturale per il 35%- combustili importati da paesi politicamente instabili (Libia, Russia, Medio Oriente)
AndamentoAndamento deidei prezziprezzi del del petroliopetrolio
Gulf war Taglio dellaproduzione OPEC
Aumento dellarichiesta dei paesiemergenti / speculazione
Riscaldamento globaleRiscaldamento globale
19981998: protocollo di Kyoto prevede una riduzione dell’emissione diCO2 entro il 2012 del 6.5% rispetto alle rilevazioni del 1990
NecessitNecessitàà didi ricerchericerche susu fontifontirinnovabilirinnovabili e alternative e alternative
FISSIONE NUCLEARE
FUSIONE NUCLEARE
NUCLEARE
SOLARE
EOLICO
GEOTERMICO
BIOMASSE
IDROELETTRICO
RINNOVABILI
SATURO!
Energia equivalenteEnergia equivalente
La stessa quantità dienergia si ottiene da:
�10 t di carbone
� 7000 lt di nafta
� 1 kg di uranio
naturale
�1 cm3 di deuterio
�50 lt di H2O
NOTEVOLE CONVENIENZA DEL NUCLEARE
Da cosa Da cosa èè composta la materia?composta la materia?
�� Atomi:Atomi:
–– NucleoNucleo
�� ProtoniProtoni
�� NeutroniNeutroni
–– ElettroniElettroni
LL’’idrogeno e i suoi isotopi: idrogeno e i suoi isotopi: Deuterio e TrizioDeuterio e Trizio
�� Il Trizio non esiste in naturaIl Trizio non esiste in natura
�� Tempo di dimezzamento:12 anniTempo di dimezzamento:12 anni
Massa Atomica
Fusione
U
D
He3
He4
Li
T
Fissione
Energialiberata dallafusione
Energia liberatadalla fissione
Den
sità
di E
nerg
ia n
ucle
are
di le
gam
elib
erat
a
OrigineOrigine delldell’’energiaenergia nuclearenucleare: : ll’’energiaenergia didi legamelegame
D
T He
n
Fusione
n
Un
Fissione
E=∆∆∆∆mc2
DD
OrigineOrigine delldell’’energiaenergia nuclearenucleare::ilil difettodifetto didi massamassa
Massa(U) > Massa(PF1) + Massa(PF2) + 3*Massa(n)
Fissione
E = 17.2 MeVE/m = 330 MJ/kg
Massa(D) + Massa(T) > Massa (He) + Massa(n)
Fusione
1 eV=1.6021 10-19 Joule
E = 200 MeVE/m = 95 MJ/kg
La fusione esiste in natura ?La fusione esiste in natura ?
�� Il sole Il sole èè una una ““centralecentrale”” a fusione nucleare naturale che a fusione nucleare naturale che fornisce lfornisce l’’energia vitale alla terra da 5 miliardi di anni energia vitale alla terra da 5 miliardi di anni (fusione(fusione--sole)sole)
�� Nelle stelle la fusione Nelle stelle la fusione avviene perchavviene perchéé la materia la materia èècoscosìì densa e cosdensa e cosìì calda calda (milioni di gradi centigradi) (milioni di gradi centigradi) che i nuclei non possono che i nuclei non possono pipiùù respingersirespingersi
Il nucleare di domani: la fusioneIl nucleare di domani: la fusione
Perchè sarebbe vantaggioso riprodurla sulla terra?
- non viene prodotta CO 2
- intrinsecamente sicura- assenza di rilevante materiale radioattivo- ampia disponibilità di materie prime
Doceani (15g/m 3 di D2O)2 g di D ogni 50 l acqua
T7% crosta terrestre
Litio
Li63 + n ���� T + He4
2 + 4.8 MeV
Il nucleare di domani: la fusioneIl nucleare di domani: la fusione
I problemi: - l’innesco delle reazione di fusione richiedetemperature molto elevate (>100 milioni di gradi)
- il controllo della materia in queste condizionistarordinarie (plasma) è molto complesso
attività di ricerca su scala mondiale
Perchè sarebbe vantaggioso riprodurla sulla terra?
- non viene prodotta CO 2
- intrinsecamente sicura- assenza di rilevante materiale radioattivo- ampia disponibilità di materie prime
Doceani (15g/m 3 di D2O)2 g di D ogni 50 l acqua
T7% crosta terrestre
Litio
Li63 + n ���� T + He4
2 + 4.8 MeV
+T
GASSOSO
+T
+T
Plasma: il quarto stato della materiaPlasma: il quarto stato della materia
+T
--
-
-
-
-
- -
-
- +
+
PLASMA: un gas altamente ionizzato
Il plasma Il plasma èè la forma della materia pila forma della materia piùù comune nellcomune nell’’universo >99% universo >99%
Plasmi in natura Plasmi in natura -- 11
La difficoltà ad “immaginare”cosa sia un plasma nasce dal fatto che in natura (sulla Terra) il plasma è uno stato molto raro della materia. Alcuni esempi sono le aurore boreali…
Il problema del confinamentoIl problema del confinamento
� Per esempio nei fulmini, nell’aurora boreale e all’interno delle lampade a Neon, non ci sono le condizioni per ottenere reazioni di fusione.
� Sulla terra non è possibile ottenere la densità che c’è nel sole (lì il confinamento è gravitazionale), ma per fortuna esiste un altro modo di confinare il plasma, il confinamento magnetico.
� Invece ci sono all’interno del nucleo del sole (pressione e temperatura elevatissime).
� Non tutti i plasmi in natura hanno una configurazione tale da permettere di superare la barriera coulombiana (=repulsione) e generare reazioni nucleari di fusione.
� Per superare tale barriera occorre raggiungere opportune condizioni di densità e temperatura.
Il Il ““contenitorecontenitore”” èè il campo il campo magneticomagnetico
� Sono raggiunte altissime temperature (~100 milioni di gradi).Come confinare il plasma?
CAMPO MAGNETICO
� Effetto solo su particelle cariche:
B B-
+
IB
I
B
Come riscaldare il plasma ?Come riscaldare il plasma ?
• Riscaldamento ohmico: si applica al plasma una corrente elettrica molto intensa. Il plasma ha una sua resistività intrinseca (pari all’incirca a quella del rame) e si riscalda come una gigantesca lampadina ad incandescenza
• Riscaldamento a radiofrequenze: il plasma irraggiato da onde elettromagnetiche come un forno a microonde
• Riscaldamento tramite atomi elettricamente neutri veloci sparati all’interno del plasma
Il futuro: ITERIl futuro: ITER
� Reattore sperimentale con dimensioni “da centrale”
� Progetto internazionale
� Costruzione in corso a Cadarache (Francia)
Dimensione di una persona in ITER
ww.iter.org
RFX: la storiaRFX: la storia
� Lo studio sui gas ionizzati ha inizio negli anni ’60 all’Università di Padova
� ETA BETA I: contenitore in quarzo
attivo dal 1971 al 1978
� ETA BETA II: attività sperimentaledal 1979 al 1989
� Nel 1992 RFX inizia la sua attivitàsperimentale
� Nel 1996 viene istituito il “Consorzio RFX”:
– CNR, Consiglio Nazionale delle Ricerche
– ENEA, Ente per le Nuove tecnologie,l’Energia e l’Ambiente
– L’Università di Padova
– Acciaierie Venete S.p.A.
– INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (di recente)
RFXRFX--modmod
Macchina di tipo “Reversed Field Pinch”
Interferometro
Tomografia aRaggi X
Iniezione di pellet
Thomsonscattering
Riflettometro
Raggio maggiore R 2 mRaggio minore a 0.46 mMax Corrente di plasma 2 MAMax Campo magneticotoroidale applicato
0.7 T
Durata impulso 0.6 s
RFXRFX--modmod: Camera da Vuoto: Camera da Vuoto
4 m
- acciaio - spessore: 30mm - aperture pompaggio: 150mm
geometria geometria
toroidaletoroidale
RFX: campo magnetico di RFX: campo magnetico di confinamentoconfinamento
RFX: RFX: AvvolgimentoAvvolgimento MagnetizzanteMagnetizzante
campo magnetico
campo elettrico
� La funzione dell’avvolgimentomagnetizzante è quella difornire l’energia per la creazione e il sostenimentodel plasma (legge Faraday)
Imax=50kA
RFX: RFX: AvvolgimentoAvvolgimento ToroidaleToroidale
B
I
� La funzione dell’avvolgimento toroidale è quella di fornirela componente toroidale del campo magnetico diconfinamento
Imax=16kA
saddle coil
RFX: RFX: controllocontrollo delldell’’equilibrioequilibrio verticaleverticale e e bobinebobine didi campo campo radialeradiale
PosizionePosizione PerturbazioniPerturbazioni
BobineBobine a a sellasella
B
I
� La funzione principale dell’avvolgimento poloidale (di campo verticale) è quella di controllare la posizione del plasma
� La funzione del sistema di bobine di campo radiale è quella dicontrastare i fenomeni di instabilità che si hanno all’internodel plasma
F
I =400A
RFXRFX--modmod (modificato dal 2004)(modificato dal 2004)
new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs
vessel-shellinsulated spacers
vacuum vessel
new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs
shell clampingbands
shell equatorialgap shortcircuits
vessel-shellinsulated spacers
vacuum vessel3 mm
copper shell
new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs
new toroidalsupport structure
shell clampingbands
shell equatorialgap shortcircuits
vessel-shellinsulated spacers
vacuum vessel3 mm
copper shell
new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs
new toroidalsupport structure
shell clampingbands
shell equatorialgap shortcircuits
vessel-shellinsulated spacers
vacuum vessel3 mm
copper shell
saddle coilsystem
new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs
toroidal coil
new toroidalsupport structure
shell clampingbands
shell equatorialgap shortcircuits
vessel-shellinsulated spacers
Camera 3 mm
copper shell
saddle coilsystem
Vista Vista aereaaerea didi RFXRFX
Linea elettrica da400 kV
Trasformatori400/21.6 kV
Trasformatori21.6/1.48 kV
Alim .Poloidale
Alim .ToroidaleSala macchina (R5)
PrincipaliPrincipali risultatirisultati ottenutiottenuti susu RFXRFX
Parametro Valori ottenuti
2010
Valoreatteso
corrente di plasma 2.0 MA 2 MA
campo magnetico toroidale 0.40 T 0.7 T
tempo di salita della corrente 80 ms 15 ÷ 50 ms
durata della scarica >500 ms 250 ms
temperatura elettronica sull'asse 1.3 keV
15M°C
1 keV
densità elettronica 0.5-1 1014 cm-3 1 1014 cm-3
tempo di confinamento dell'energiaττττE
≈2-4 ms 10 ms
tensione di giro 22 V 16 V
PrincipaliPrincipali scopertescoperte susu RFXRFX
�� InsorgenzaInsorgenza didi strutturestrutture MHD MHD elicoidalielicoidali con con confinamentoconfinamento miglioratomigliorato
�� EsperimentiEsperimenti didi rotazionerotazione delladella strutturastruttura elicoidaleelicoidale
Neutral Beam InjectorNeutral Beam Injector
TokamakZona montaggio
NBIs
Il Il sistemasistema didi riscaldamentoriscaldamento ad ad iniezioneiniezione didi neutrineutri per ITER per ITER verrverràà realizzatorealizzato e e sperimentatosperimentato a Padovaa Padova
ConclusioniConclusioni
� La ricerca sulla fusione nucleare controllata è ancora da considerare ricerca di base anche se orientata alla soluzione di un problema concreto quale quello energetico.
� Gli ingenti investimenti hanno certamente una ricaduta positiva perché queste ricerche utilizzano tecnologie di punta e promuovono ulteriori sviluppi in diversi settori (magneti superconduttivi, tecnologie dei materiali, alimentazioni elettriche, controlli in tempo reale e acquisizione dati).
� La disponibilità di questa fonte potrebbe essere indispensabile per soddisfare la domanda di energia e le collegate aspettative di incremento del tenore di vita per una grande percentuale della popolazione mondiale.