Presentazione rfx 20-05-2013

IntroduzioneIntroduzione allaalla ricercaricerca sullasullafusionefusione termonuclearetermonucleare

controllatacontrollata e e allall’’esperimentoesperimentoRFXRFX--modmod

Consumo di energia primaria al mondoConsumo di energia primaria al mondo

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…

Plasmi in natura Plasmi in natura -- 22

… i fulmini

Fotografia di Fernando D’Angelo, Padova.

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

LL’’incremento del prodotto triplo incremento del prodotto triplo

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

Come funzionerCome funzioneràà una una centrale a fusione?centrale a fusione?

n

Le Le ricerchericerche sullasulla fusionefusione a Padovaa Padova

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

La prima La prima pareteparete (vista (vista internainterna))

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

BobineBobine e camerae camera

RFXRFX--modmod (modificato dal 2004)(modificato dal 2004)

new vacuum vessel portsfor ISIS feedthroughs

vessel-shellinsulated spacers

vacuum vessel


shell clampingbands

shell equatorialgap shortcircuits


vacuum vessel3 mm

copper shell


new toroidalsupport structure

shell clampingbands



vacuum vessel3 mm

copper shell



shell clampingbands



vacuum vessel3 mm

copper shell

saddle coilsystem


toroidal coil


shell clampingbands



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

LL’’iniettoreiniettore didi neutrineutri per ITERper ITER

5 m

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.

Presentazione rfx 20-05-2013

Documents

Transcript of Presentazione rfx 20-05-2013