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G. Bosia - Fisica del plasma confinato Lezione 1 Introduzione al corso

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Lezione 1Introduzione al corso di

Fisica del Plasma Confinato

G. BosiaUniversita’ di Torino

Anno Accademico 2006-2007


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Programma del corso

Le lezioni saranno normalmente tenute con l’ ausilio di diapositive elettroniche che saranno messe a disposizione degli studenti (in forma elettronica).

Saro’ a disposizione degli studenti per informazioni, discussioni ecc due volte alla settimana, nel pomeriggio del Lunedi e Mercoledi. Contattatemi per e-mail per un appuntamento

Proporrei di intervallare alle normali lezioni qualche discussione su argomenti a carattere monografico (tipo seminario), su argomenti specifici su temi legati alle problematiche della fusione controllata. Alcuni titoli possibili : “Prospettive energetiche della fusione termonucleare quale sorgente di energia elettrica” ; “Il progetto ITER” , “Tecniche di fisica sperimentale su macchine termonucleari” ecc. o legati a questioni energetiche.

Il corso di Fisica del Plasma confinato consiste di 48 ore di lezione che saranno raggruppate in 24 Lezioni di 2 ore. Le lezioni saranno tenute di norma in Aula magna con orario:

Lunedi 14-16Mercoledi 14-16Giovedi 14-16

A causa di indisponibilita’ dell’ Aula Magna, in data 19 aprile(domani) non si terra’ lezionein data 2 maggio la lezione sara’ tenuta in aula Wataghinin data 23 Maggio la lezione sara’ tenuta in aula Din data 24 Maggio la lezione sara’ tenuta in aula Avogadro


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Diapositive elettroniche

Nota : Queste diapositive elettroniche sono state da me usate nelle lezioni dell’ Anno Accademico 2006-2007.

Il loro scopo e’ presentare in un modo conciso e graficamente non troppo pasticciato un sommario degli argomenti delle lezioni. Non intendono essere le dispense del corso, e consiglio gli studenti di prepararsi per l’ esame sui testi di Fisica consigliati, dove la materia è trattata in modo piu’ ampio e sistematico.

Mi scuso in anticipo per gli errori (spero soltanto tipografici) del testo e sarò grato a chi volesse segnalarmeli.

I files PDF delle lezioni si trovano sul sito http//www.to.infn.it/~gbosia nel folder “tecnologie avanzate” a partire dal giorno successivo a quello della lezione

G.B


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Programma del corso

Il corso si propone di fornire agli studenti una introduzione :

• alla problematica della produzione di energia mediante fusione termo-nucleare

• alla fisica di plasmi confinati magneticamente, con caratteristiche fisiche rilevanti per la produzione di energia per fusione termonucleare.

• ai metodi di confinamento magnetico, in particolare in strutture magnetiche toroidali,

• allo studio della fisica della propagazione e dei principali meccanismi di assorbimento e di conversione di onde elettromagnetiche nel plasma, con particolare riferimento alle frequenze utilizzate per il riscaldamento del plasma a temperature termonucleari e per la generazione non induttiva di corrente.

• a cenni sulle tecnologie utilizzate in un reattore a fusione


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Programma corso

L’ argomento trattato e’ molto vasto in qualche caso anche matematicamente complesso.

Questo mi impedirà di trattare i vari argomenti in un modo completo e sistematico.

Nel preparare queste lezioni ho prelevato materiale da diversi testi

G. Schmidt “Physics of High Temperature Plasmas” Academic Press , NY-London

F.F Chen “ Plasma Physics and Controlled Fusion” Plenum Press, NY-London

J.Wesson “Tokamaks ” Oxford Science Publications

N.A.Krall, A.W.Trivelpiece, “Principles of Plasma Physics”

Questi libri sono tutti disponibili in Biblioteca. Indichero’ verso la fine del corso in quali capitoli cercare gli argomenti svolti


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Contatti

Sono contattabile presso i Dipartimenti di Fisica (II Piano), personalmente e mediante e-mail : giuseppe.bosia @ to.infn.it oppure: [email protected]

Per le mie comunicazioni agli studenti normalmente utilizzo il sito internet :http//www.to.infn.it/~gbosia

accessibile anche cliccando sul mio nome nel sito del CCS di Fisica

Che ha questo aspetto :

Name Last modified Size Description

Parent Directory 24-Apr-2006 11:19 -

Scienze Naturali 02-Mar-2006 11:30 -

Fisica Tecnologie Avanzate > 21-Apr-2006 17:48 -

Indirizzi 06-Oct-2005 15:13 4k


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Possibilita’di tesi di Laurea e Stages su argomenti di Fusione Nucleare

Si tratta di un progetto a larga partecipazione internazionale che fede coinvolti EU, US, RF, JA, CH, CO, IN,e che si propone la prima dimostrazione sperimentale della fattibilita’ di un reattore a fusione

Il periodo di costruzione e’ di 10 anni e quello dello sviluppo dei 20 successivi. Si tratta del primo tentativo di affrontare un problema di carattere generale (quale quello della produzione di energia ) da un team a partecipazione mondiale

Prima della fine del mese, sul mio sito saranno disponibili due proposte di tesi di laurea sperimentale riguardanti lo studio e la progettazioni di componenti di sistemi di riscaldamento radiofrequenza del plasma del reattore sperimentale ITER, la cui costruzione e’ da poco iniziata presso il Laboratorio del CEA di Cadarache (F)


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Introduzione

In questo corso saranno trattati argomenti di Fisica di un plasma a temperatura termonucleare confinato magneticamente in uno spazio definito.

Plasma : gas ionizzato avente un contenuto energetico/particella superiore all’ energia di ionizzazione. In questa condizione energetica praticamente tutti gli atomi del gas sono ionizzati, ed elettroni e ioni si muovono nello spazio, soggetti a forze di tipo elettromagnetico prodotte da campi elettrici e magnetici esterni e/o generati internamente dalle distribuzioni di carica e di corrente dovute al moto delle particelle stesse, interagendo fra di loro mediante collisioni di tipo elettromagnetico (scattering Rutherford) .

A causa della presenza dei campi magnetici, che impongono traiettorie curve ortogonali alle linee di forza del campo, la dinamica delle componenti di un plasma non e’ inerziale e il moto di una particella singola e’ in generale piuttosto complesso.

.


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Che cos’e un plasma? uno stato della materia

Aumentando la temperatura

Un plasma e’ un ottimo conduttore di elettricita’


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Metodi di produzione di energia nucleare

D

THe

n

Fusion

Z

Mas

s pe

r nu

cleo

n

n

Un

Fission

I metodi di produzione di energia nucleare si basan o sull’ eccesso di massa


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Sezioni d’ urto di fissione e fusione

Fusion

Fission

Un’energia sufficiente ( 10 2 keV) deve essere impartita ai nucleoni -> alta tempe ratura (108 °C) -> la materia si trova allo stato di plasma

Per ottenere energia di fusione :


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• D + D

• D + 3He• D + T

• “facile”: “maggiore sezione d’urto a bassa temperatura

• D + T

• D + T -> 4He + n + ∆E

n + 6Li -> 4He + T

n + 7Li -> 4He + T + n

Reazioni di fusione


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Come si puo’confinare un plasma?

Un plasma termonucleare ha temperature equivalenti di centinaia di milioni di gradi e non puo’ pertanto esere “contenuto” da un contenitore meccanico, di cui causerebbe una distruzione immediata


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Funzionamento di una macchina a confinamento magnet ico

Per generare un plasma a temperatura termonucleare si parte infatti da un gas neutro a bassa pressione, contenuto in un recipiente metallico, e lo si ionizza a bassa temperatura mediante campi elettrici (pre-ionizzazione).

Prima di aumentarne sensibilmente la temperatura lo si isola dal contenitore creando una struttura magnetica che confina le particelle del plasma in modo da limitare al massimo lo scambio di calore con il contenitore. I campi magnetici sono prodotti da elettromagneti supra conduttori operanti alla temperatura di elio liquido (confinamento) Sono state studiate ed utilizzate diverse strutture magnetiche a topologia lineare e toroidale. Le seconde hanno mostrato una migliore efficienza di confinamento e sono praticamente le sole utilizzata al presente.


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Confinamento Magnetico

• Aumentando il valore del campo magnetico alle estremita’ della zona di confinamento (specchio magnetico)

-> confinamento in geometria lineare

• Tuttavia un campo puramente toroidale non puo’ confinare il plasma

• E’ necessario un campo elicoidale(Tokamak. Stellarator)

• Chiudendo su se stesse le linee di campo-> confinamento magnetico toroidal

Confinamento magnetico La proprieta’ di particelle cariche di spiralizzare attorno alle linee di forza di un campo magnetico e’ alla base dei metodi di confinamento magnetico di un plasma termonucleare. Il campo magnetico limita il numero di gradi di liberta’ del moto ad uno solo Le particelle possono tuttavia muoversi liberamente lungo le linee di campo. Due metodi sono utilizzati per il confinamento assiale:


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Componenti di un sistema TokamakJET: il Tokamak Europeo

plasma volume

magn. field.

plasma current

• 60 m3

• up to 4 T

• up to 5 MA


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Un ottante del JET durante il montaggio


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Interno del JET con e senza plasma


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Energia di fusione prodotta in dispositivi sperimentali

in a D-T plasma,

with 20 MW input power into the plasma

τE

16 MW

total output : max 16 MW

(Q = 0.8) ma non auto sostenuta !


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Quanto siamo distanti da un reattore a fusione?

Q = fusion power out ext. power in

T

n ττττE

Evolution of the performance over the years matches that of computers “Moore’s law”


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AUG JET

ITER

Dimensioni di un reattore dalle leggi di scala

≈30 years


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2.5%, 0.7ββββT, ββββP

10Q (Pfus /Pin )

80+Pαααα (MW)

40-90Paux (MW)

0.5, 1.85δδδδ,κκκκ

5.3B t (T)

15(17)IP (MA)

850VP (m3)

2a (m)

6.2R (m)

ITER

estimated cost : 4 000 Million Euro

ITER sara’ una macchina nucleare 0.5 x 10 20 neutrons/s

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