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Energia dalla FUSIONE?

Francesco Paolo Orsitto

ENEA Frascati

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IL sole e’ Un reattore a fusione di grandi dimensioni

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Scopo delle ricerche sulla fusione e’: creare un sorgente di

energia simile a quella che sostiene il sole

• 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 tali che n > 21020sec/m3.

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Outline

• Concetti introduttivi

• Confinamento magnetico: proprieta’, Schema di un Tokamak

• Esperimenti esistenti attualmente funzionanti

• Programma prossimi 25 anni : ITER

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Concetti introduttivi alla fusione a confinamento magnetico

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Reazioni di Fusione

• Vengono utilizzati due isotopi dell’idrogeno:

• Deuterio( 1protone, 1neutrone) e Trizio( 1 protone , 2 neutroni)

• La reazione di fusione e’:

• D+T-> He4 ( 2 protoni, 2 neutroni) +neutrone + energia

Etot_fus(DT)=17.6MeVEalfa/Efus = 1/5

He4 = particelle alfa

In un reattore per rigenerare il trizioSi usa un ‘blancket’ di composti di LitioLi6 + n -> T + He4 + 4.8Mev

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Confinamento magnetico

• Il plasma deve essere confinato ed isolato

• Confinato: deve essere contenuto stabilmente

• Isolato : deve essere controllata la interazione con il contenitore che possa deteriorare le condizioni del plasma, per esempio aumentando le impurezze

Le particelle spiralizzano attorno al campo in traiettorie con un raggio transverso

= m Vperp / eB

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tokamak

• In un plasma contenuto in un device toroidale con un campo magnetico assiale viene fatta fluire una corrente indotta da un trasformatore: risulta un campo magnetico con linee elicoidali che si chiudono su se stesse dopo un numero intero di giri in certe

posizioni dette superfici razionali.

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Potenza dalla fusione a confinamento magnetico

• Pfusione=1/4 nion2 <v> Efusione ~ (nT)2

• <v>~ T 2.

• Pfusione = 1.08 2 B4. MW/m3.

• =2 nT / (B2/20) = [pressione totale(ioni+elettroni) cinetica ] /pressione magnetica

• Per es. (B2/20) = 1 atmosfera @ B=0.5T

• Tipico valore di beta ~1-10%

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Tempo di confinamento E.

• Tempo caratteristico (E ) della Perdita di energia per conduzione termica e’ definito:

• PL = 3nT/ E.= ((3/2)neTe+(3/2)niTi)/E

Legge di scala confinamento magnetico per tokamaks ( H-mode)

(Energia media/ grado di liberta’=1/2 T)

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FUSIONE: Obiettivi

• Pareggio energia (Q=1)

• Ignizione (Q>10)• (nT)MIN~1021 m-3 s keV

E~1s, T~10keV,n~1020 m-3.

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Pfusione = 1.08 2 B4. MW/m3.D+T→ MeV + n(14.1MeV)•Le particelle sono particelle cariche, restano nel plasma e riscaldano il plasma,cedendo la loro energia per rilassamento collisionale.•I neutroni possono essere utilizzati per ricavare energia.

3

43

;

51

5

3

3Pr_

_

_

242E

E

BnTB

Ploss

PfusQ

Q

QPfus

E

nTPfus

Q

E

nTPlossPalfaiscstatesteady

riscaldampotenza

fusionepotenzaguadagnoQ

limitato dalla stabilita’MHDE limitato/regolato Dal trasporto turbolento

Commenti su Pfus vs (limiti di) beta

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Progressione di 5 ordini di grandezza

nel fattore di merito nT della Fusione in 30 anni di sperimentazione

nT cresciuto piu’ velocemente della energiadegli acceleratori e della velocita’ di calcolo

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Regimi operativi del plasma di un tokamak: corrispondenza Profili di corrente ↔ profili di pressione

q~B/I Profili di pressione = nT

E Joffrin and X Garbet Conf IAEA 2004

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Macchine attualmente funzionanti

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Esperimenti sulla fusione in Italia

RFX (Padova)

• Raggio maggiore R= 2 m

• Raggio minore a = 0.5 m

• Campo toroidaleB = 0.7 T

FTU (Frascati)

• Raggio maggiore R= 0.94 m

• Raggio minore a = 0.3 m

• Campo magnetico B = 8 T

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JET(Joint European Torus)EFDA Culham science centre Oxfordshire(UK)

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JET:La piu’ grande macchina Tokamak funzionante; corredata di impianti per operazione in DT

Interno del JET

senza plasma con plasma

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Riscaldamento dovuto alle particelle alfaJET DT1

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Programma futuro

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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.

ITER deve dimostrare la fattibilita’

Scenario con Q=10 in H-mode

Produrre 450MW di potenza

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Ruolo di ITER

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ITER

• ITER verra’ costruito a Cadarache ( sud-Francia, vicino Aix en Provence)

• L’inizio della costruzione previsto nel 2007

• ITER e’ una collaborazione internazionale tra EU, USA,JA,RF,Cina,Corea

• Costo stimato 6BEURO

• Tempo stimato per la costruzione 8anni

• Durata stimata di funzionamento 20 anni