La fusione termonucleare controllata

Paolo Bettini

Dipartimento di Ingegneria Elettrica (DIE)Università degli Studi di Padova

-Consorzio RFX

Associazione EURATOM-ENEA sulla Fusione

Padova - 17 maggio 2011

Fusione Nucleare a Confinamento MagneticoLa ricerca verso una nuova fonte di energia

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20112

Fusion basics - magnetic plasma confinement

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20113

Fusion basics - heating the plasma

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20114

Fusion basics – plasma diagnostics

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20115

Fusion basics – real time control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20116

Fusion basics – real time control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20117

JET - Joint European Torus, Culham Science Centre (UK)

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20118

RFX (Padua, Italy)Raggio maggiore R 2 mRaggio minore a 0.46 mMax Corrente di plasma 2 MAMax Campo magnetico toroidale applicato

0.7 T

Durata impulso 0.5 s

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 20119

ITER (Cadarache, France)

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

10

Units

ITER DEMO

Plasma major radius m 6.2 8.6

Plasma minor radius m 2.0 2.9

Plasma volume m 3 840

Plasma current MA 15.0 28.0

Maximum toroidal field T 5.3 6.9

Fusion power MW 500 3600

Pulse duration s > 400 steady state

Energy gain factor Q - > 10 13.5

Costs (10 years) € 10109 ? -

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Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

11

ITER’s mass:

~23000 t

28 m diameter x 29 m tall

Charles de Gaulle mass:

~38000 t (empty)

856 ft (261 m) long

The ITER Tokamak will weigh 23 000 tons. The metal contained in the Eiffel Tower (7 300 tons) can't compare...the ITER Tokamak will be as heavy as three Eiffel Towers. Approximately 1 million components

will make up the machine.

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

12

VV & In-vessel components mass:~8000 t

19.4 m outside diameter x 11.3 m tall

Eiffel Tower mass:

~7300 t324 m tall

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

13

Mass of (1) TF Coil: ~360 t

16 m Tall x 9 m Wide

Boeing 747-300: ~377 t(Maximum Takeoff Weight)

Every one of the ITER Tokamak's 18 D-shaped Toroidal Field coils will weigh 360 tons. They will arrive individually by boat, and be transported along the ITER Itinerary on radio-controlled transporters. 360 tons is

the approximate weight of a fully loaded Boeing 747-300 airplane.

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

14

• 80 000 km of niobium-tin (Nb3Sn) superconducting strands will be necessary for ITER's Toroidal Field magnets. Manufactured by suppliers in six ITER Domestic Agencies — China, Europe, Japan, Korea, Russia and the USA — production began in 2009 and will continue through 2013.

• 80 000 kilometres (over 400 tons) represents a significant increase in the worldwide production of this multifilament wire which was estimated, before ITER production, at a maximum of 15 tons per year.

Niobium-tin (Nb3Sn) superconducting strands . Source: ITER

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 2011

ITER “figures”

15

The main feature of the 180-hectare ITER site in Cadarache, Southern France, is a man-made level platform that was completed in 2009, which required the removal of 2.5 million m³ of earth and rubble. This 42-hectare

platform measures 1 kilometre long by 400 metres wide, and compares in size to 60 soccer fields.

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201116

Recent research acivities at a glance

• RFX – 2D non linear plasma equilibrium code (FEM)– Plasma current real time feedback control system– MHD mode real time feedback control system

• ITER– Plasma magnetic boundary identification procedure– Neutral Beam Injector (NBI) system (Padua) – NBI High Voltage Transmission Line analysis

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201117

RFX – 2D non linear plasma equilibrium code (FEM)

VACUUM VESSEL

ALUMINIUMSHELL

TF COIL

MECHANICALSTRUCTURE

MA

CH

INE

AX

IS

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201118

RFX – 2D non linear plasma equilibrium code (FEM)

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201119

RFX – 2D non linear plasma equilibrium code (FEM)

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201120

RFX – 2D non linear plasma equilibrium code (FEM)

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201121

RFX – plasma current control

RC

uC

+

LC

RT

RM

LM

iC

iM

LPF

iPF

RV

RP

LP

iP

uP

+

0

disturbo su RP

URs

URs

[tt_PC UPC]

UPCATm

UVs

IPs

IPFs

IMs

RV

RV

RPs

RPs

IP

delta_RP

URP

RP

RP non lineare

UC

IPF

IM

IC*RT

PCAT

x' = Ax+Bu y = Cx+Du

Modello monospira

emu

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201122

RFX – plasma current control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201123

RFX – plasma current control

# 27552

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201124

RFX – MHD mode control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201125

RFX – MHD mode control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201126

RFX – MHD mode control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201127

RFX – MHD mode control

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201128

ITER - plasma magnetic boundary identification procedure

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201129

ITER – Neutral Beam Injector (NBI) system (Padua, Italy)

400/22 kVsubstation

Research Center “Città della Speranza”

RFX substation: 400/21.6 kV – 2 x 50 MVA transformersThe power to feed the NBI facility (80 MVA) is available at the site

ITER NBI

R&D FacilityNBI

RFX

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201130

ITER - NBI High Voltage Transmission Line analysis

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201131

ITER - NBI High Voltage Transmission Line analysis

Paolo Bettini (DIE, Università di Padova)

Padova, 17 Maggio 201132

LINKS

• INTERNATIONAL ORGANISATIONS – ITER: http://www.iter.org/

– Fusion for Energy (F4E): http://fusionforenergy.europa.eu/

– International Atomic Energy Agency (IAEA): http://www.iaea.org/

– The EFDA-JET Web site: http://www.jet.efda.org/

• ITALY– Association EURATOM ENEA Consorzio RFX (Padua): http://www.igi.cnr.it/

– Association EURATOM ENEA Frascati: http://www.fusione.enea.it/index.html.en