Centrale a Fusione Nucleare_Zitelli Francesco

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^SB 1

ITIS “F. Severi” A.S. 2008/09

ZITELLI

FRANCESCO CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE

Presentazione

Una delle questioni più pressanti per l’umanità in questo secolo è l’approvvigionamento

energetico. L’energia alimenta il nostro mondo, è essenziale per ogni attività umana.

La richiesta di energia è aumentata in modo esponenziale negli ultimi 50 anni, incremento dovuto

anche alla domanda crescente degli Stati emergenti (primi fra tutti Brasile, Russia, India e Cina – il

cosiddetto BRIC). Di fronte ad uno sviluppo industriale e tecnologico basato principalmente

sull’utilizzo di combustibili fossili (petrolio, gas, carbone) iniziano a manifestarsi i primi effetti

collaterali di uno sfruttamento incontrollato delle risorse del pianeta: effetto serra, inquinamento,

piogge acide sono solo alcune delle conseguenze dello sviluppo industriale moderno. Di fronte a

questi problemi di portata globale, appare indispensabile proteggere l’ambiente per non

distruggere il nostro pianeta. I combustibili fossili sono fonti di energia con un’alta resa,basso costo,

facilmente trasportabili e indispensabili per la produzione di plastiche e medicine, ma non sono

rinnovabili, sono destinati ad esaurirsi. È necessario quindi continuare a sviluppare fonti

energetiche alternative, che si dividono in rinnovabili (solare, eolico, biomasse, etc.) e nucleare

(fissione e fusione). In un futuro la fusione nucleare offrirà l’accesso ad una fonte energetica

pressoché illimitata, sicura e libera da emissioni di CO2.

Nella foto: vista dell’interno di JET - Joint European Tokamak Torus - a Culham, UK

2 CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^SB

CENTRALE A FUSIONE N

Sommario Presentazione ................................

Principi della fusione nucleare ................................

Il confinamento magnetico ................................

Il Tokamak................................................................

La centrale a fusione ................................

Il cammino della fusione verso la commercializzazione

Fonti: bibliografia e sitografia ................................

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^

................................................................................................................................

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................................................................................................................................

Il cammino della fusione verso la commercializzazione ................................................................

................................................................................................

ZITELLI FRANCESCO 5^SB 3

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4 CENTRALE A FUSIONE N

Principi della fusione nucleare

La fusione nucleare consiste nella formazione di

nuclei pesanti da nuclei più leggeri

avvicinare i nuclei di due atomi leggeri è possibile

ottenere elementi con numero atomico

maggiore. Da questa reazione si libera un enorme

quantitativo di energia, prima concentrata nella

massa che costituisce la materia dei reagenti

principio di Einstein

permette di spiegare l’origine di questa

la stessa che alimenta le stelle.

principio di Einstein la massa dei reagenti

maggiore di quella dei prodotti: questo

massa si è trasformato in energia secondo il

principio di Einstein. Anche le reazioni chimiche

presentano un difetto di massa, ma

piccolo da essere difficilmente misurabile

delle reazioni nucleari non è trascurabile e

produce un’ enorme quantità di energia

sotto forma di energia cinetica,

utilizzata nei reattori a fissione

ingenti quantità di energia elettrica.

principi della fusione, prendiamo come

la reazione di fusione tra Deuterio e Trizio

reazione che avviene anche all’interno delle stelle

e risulta essere la più promettente a scopo

economico sulla Terra:

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^SB

Principi della fusione nucleare

fusione nucleare consiste nella formazione di

: riuscendo ad

avvicinare i nuclei di due atomi leggeri è possibile

numero atomico

maggiore. Da questa reazione si libera un enorme

prima concentrata nella

dei reagenti: il

i questa energia,

che alimenta le stelle. Secondo il

la massa dei reagenti è

dei prodotti: questo difetto di

si è trasformato in energia secondo il

principio di Einstein. Anche le reazioni chimiche

, ma talmente

misurabile. Quello

non è trascurabile e

enorme quantità di energia. Questa ,

sotto forma di energia cinetica, già ora viene

per produrre

ingenti quantità di energia elettrica. Per capire i

rendiamo come esempio

Deuterio e Trizio,

reazione che avviene anche all’interno delle stelle

e risulta essere la più promettente a scopo

I nuclei di Deuterio e

dell’Idrogeno, se dotati di sufficiente energia

cinetica fondono in un unico nucleo di Elio che

dotato di 3.5 mega elettronvolt (

cinetica (circa il 20% dell’energia totale

dalla reazione) e producono un neutrone

possiede 14.1 MeV (il rimanente 80% del totale)

Abbiamo calcolato l'energia prodotta in elettronvolt (eV): l'elettronvolt è l'energia acquisita da un elettrone (che ha carica elettrica Qe= -1.6021*10-19 C, ovvero carica opposta a quella del protone Qp

differenza di potenziale di 1V:

1eV = 1.6021*10

Quindi l'energia prodotta dalla reazione considerata, 17.1 MeV (milioni di elettronvolt)pari a 2.74*10-12 J, di cui associati al neutrone e i rimanenti (20%) alla particella alfa (nucleo di Elio).

Bisogna tenere presente che avvicinare due

nuclei, entrambi carichi positivamente, è

un’operazione difficile perché ostacolata dalla

repulsione elettrostatica

dotate della stessa carica

Coulomb:

Figura 1 Legge di Coulomb

e Trizio, due isotopi

dell’Idrogeno, se dotati di sufficiente energia

cinetica fondono in un unico nucleo di Elio che

3.5 mega elettronvolt (MeV) di energia

(circa il 20% dell’energia totale ottenuta

e producono un neutrone che

(il rimanente 80% del totale).

Abbiamo calcolato l'energia prodotta in 'elettronvolt è l'energia

acquisita da un elettrone (che ha carica elettrica C, ovvero carica opposta a

p) accelerato da una differenza di potenziale di 1V:

1eV = 1.6021*10-19 J

Quindi l'energia prodotta dalla reazione 17.1 MeV (milioni di elettronvolt), è

, di cui 2.2*10-12 J (80%) associati al neutrone e i rimanenti 0.54*10-12 J (20%) alla particella alfa (nucleo di Elio).

Bisogna tenere presente che avvicinare due

nuclei, entrambi carichi positivamente, è

un’operazione difficile perché ostacolata dalla

repulsione elettrostatica tra due particelle

dotate della stessa carica definita dalla legge di

Legge di Coulomb


Figura 2 Barriera di Coulomb

I nuclei di Deuterio e Trizio tendono quindi a

respingersi con una forza tanto maggiore quanto

minore è la distanza che li separa. La fusione

diventa possibile solo quando la

due nuclei è inferiore a 1,4*10

quando superano la Barriera di Coulomb

questo caso l’interazione nucleare forte

nucleare che permette ai protoni di rimanere

uniti nel nucleo e impedendo la disgregazione

degli atomi più pesanti), prevale sulla repulsione

Coulombiana e si ottiene la fusione dei due nuclei

con la liberazione di una quantità di energia

uguale a il difetto di massa Δm moltiplicato per la

velocità di propagazione della luce

seconda c2. Nella nostra reazione:

Massa Atomica (g)

Deuterio 3.3432*10

Trizio 5.0066*10

Somma reagenti 8.3498*10

Elio 6.6443*10

neutrone 1.6749*10

Somma prodotti 8.3192*10

Difetto di massa 0.0306*10

E = ∆m * c2 = (0.0306*10-27

kg) * (3*10

2.74*10-12

J = 17.1 MeV

Per fondere i due nuclei dobbiamo forniruna quantità di energia sufficiente aalla distanza di 1,4*10-15 m: 280 KeV


Barriera di Coulomb

I nuclei di Deuterio e Trizio tendono quindi a

respingersi con una forza tanto maggiore quanto

minore è la distanza che li separa. La fusione

diventa possibile solo quando la distanza fra i

*10-15

m, ovvero

arriera di Coulomb: in

interazione nucleare forte (la forza

nucleare che permette ai protoni di rimanere

la disgregazione

prevale sulla repulsione

e si ottiene la fusione dei due nuclei

con la liberazione di una quantità di energia

moltiplicato per la

velocità di propagazione della luce elevata alla

Massa Atomica (g)

2*10-24

5.0066*10-24

8.3498*10-24

6.6443*10-24

1.6749*10-24

8.3192*10-24

0.0306*10-24

g) * (3*108 m/s)

2 = V

dobbiamo fornirgli prima una quantità di energia sufficiente ad avvicinarsi

280 KeV, una

quantità di energia per niente trascurabileRiscaldando gli atomi di Deuterio e Trizio

acquistano un’energia cinetica

relazione:

dove:

• kB è la costante di Boltzmann;

• è il valore medio dell'energia cinetica di una molecola d

• T è la temperatura assoluta.

Per raggiungere un’ energia di 280 KeV dobbiamo portare gli atomi di Deuterio e Trizio temperatura di almeno 230 milioni di °C, che espressa in elettronvolt, corrisponde a 20 KeV. Si noti che quest’ultima energia, benché tanto elevata, è comunque 14 volte inferiore

all’energia della Barriera di Coulomb

Figura 3 distribuzione di Maxwell

Infatti, poiché la temperatura è correlata con l’energia cinetica media delle particelle, comunque una frazione adeguata di nuclei di

Deuterio e Trizio che hanno un’energia

superiore alla Barriera di Coulomb

possono fondere (distribuzione di Maxwell

Boltzmann). Occorre notare che per trattare con temperature di questo ordine di grandezza è stato introdotto l’elettronvolt

misura della temperatura,

relazione: 1 eV = 11605 K


quantità di energia per niente trascurabile. Deuterio e Trizio questi

o un’energia cinetica definita dalla

costante di Boltzmann;

è il valore medio dell'energia cinetica di una molecola del gas;

è la temperatura assoluta.

Per raggiungere un’ energia di 280 KeV dobbiamo portare gli atomi di Deuterio e Trizio ad una temperatura di almeno 230 milioni di °C, che espressa in elettronvolt, corrisponde a 20 KeV. Si noti che quest’ultima energia, benché tanto

è comunque 14 volte inferiore

all’energia della Barriera di Coulomb, di 280 KeV.

distribuzione di Maxwell-Boltzmann

Infatti, poiché la temperatura è correlata con l’energia cinetica media delle particelle, esiste

una frazione adeguata di nuclei di

Deuterio e Trizio che hanno un’energia

superiore alla Barriera di Coulomb, e che quindi distribuzione di Maxwell –

. Occorre notare che per trattare con questo ordine di grandezza è

elettronvolt come unità di misura della temperatura, utilizzando la seguente

1 eV = 11605 K


La materia a queste alte temperature si presenta allo stato di plasma, il quarto stato della materia. Se continuiamo a riscaldare un gas questo passa allo stato di plasma, in cui le molecole sono dissociate in atomi e gli

atomi di Deuterio e Trizio

sono in massima parte

ionizzati, ovvero i nuclei

sono separati dagli elettroni. Sulla Terra la materia si presenta allo stato di plasma in particolari situazioni caratterizzati da specifici rapporti tra temperatura e densità: ad esempio nelle fiamme, nelle torce di saldatura, nei jet degli aerei, negli schermi al plasma. Altri esempi di plasmi in natura sono i fulmini e le aurore boreali.

Il plasma è

quindi una

miscela di

ioni, di

elettroni e di

atomi neutri, che a differenza dei gas (composti

quasi esclusivamente di particelle neutre) è

manipolabile attraverso l’applicazione di campi

elettrici e magnetici. Date le sue particolari

caratteristiche fisiche (temperatura e densità) il

plasma risulta molto difficile da trattare: il

semplice impatto di un plasma molto caldo

contro una qualsiasi superficie raffredderebbe il

plasma e rischierebbe di deteriorare il materiale

della superficie. Lo studio dell’applicazione di

campi elettrici e magnetici al plasma da fusione è

quindi di fondamentale

importanza per realizzare la

tecnologia che sta alla base di

una centrale a fusione nucleare.

In questo caso si parla di

confinamento magnetico.

Esistono altri tipi di

confinamento del plasma: il

confinamento gravitazionale

nel Sole e nelle Stelle, e il

confinamento inerziale che, a

differenza del confinamento

magnetico, ha forti implicazioni

militari a causa dei potenti laser

che sono necessari per la sua

realizzazione. Ci soffermeremo

soltanto sul confinamento

magnetico che ha soltanto scopi

pacifici e non potrà essere utilizzato per scopi

bellici.

Il confinamento magnetico

Un plasma costituito in massima parte da atomi

ionizzati è quindi sensibile ad un campo

magnetico. La legge di Lorentz

dove:

• Fl è la forza che agisce sulla carica q nel

campo B

• q è la carica della particella che entra nel

campo magnetico

• è la velocità della particella

• è il vettore del campo magnetico

definisce la forza che agisce su una carica q che si

muove con velocità (nel nostro caso

dipendente dalla temperatura del plasma) in un

campo magnetico . La forza di Lorentz ha

direzione perpendicolare sia alla direzione della

velocità della particella che alla direzione del

campo magnetico e non modifica la velocità

iniziale.


Figura 4 Legge di Lorentz

Per il 2° principio della dinamica la forza di

Lorentz produce un'accelerazione, che ha il suo

stesso verso e direzione. Essendo la forza sempre

perpendicolare al campo B e alla velocità

l'accelerazione è centripeta e possiamo scrivere

che:

Semplificando, si ottiene il

raggio della circonferenza

percorso dalla particella

carica che entra nel campo B

con una velocità :

Si evince che i nuclei di

Deuterio e Trizio avranno una

circonferenza di raggio

maggiore a quello degli

elettroni e anche senso di

rotazione opposto.

Il moto risultante della

particella carica che ha una

velocità obliqua rispetto a B

sarà la sovrapposizione di un

moto rettilineo uniforme

nella direzione parallela a B e

uno circolare uniforme nel

piano perpendicolare a B. La

sovrapposizione dei due moti

è un’elica cilindrica a passo costante: si dice che

la particella “spiraleggia” attorno alla linea

forza del campo magnetico.


Per il 2° principio della dinamica la forza di

Lorentz produce un'accelerazione, che ha il suo

stesso verso e direzione. Essendo la forza sempre

e alla velocità ,

l'accelerazione è centripeta e possiamo scrivere

è un’elica cilindrica a passo costante: si dice che

la particella “spiraleggia” attorno alla linea di

Figura 5 Moto di una carica puntiforme con velocità

obliqua rispetto a B

In assenza di un campo magnetico le particelle

cariche del plasma hanno

mentre con un opportuno

riusciamo a intrappolare le particelle del plasma

lungo un percorso predefinito: per mezzo di un

solenoide possiamo generare un campo

magnetico con linee di forza

parallele all’asse del

contenitore, ovvero la

cavità interna del

solenoide.

contenimento del plasma è

cilindrica

non vengono disperse

radialmente

forza di Lorentz, ma vanno

comunque a bombardar

due estremità del

contenitore; perdono la

loro energia e il plasma si

raffredda.

questo problema, nel 1950

all’istituto di Fisica Atomica

di Mos

chiudere il contenitore

cilindrico su stesso, così da

formare un contenitore

toroidale,

Tokamak


una carica puntiforme con velocità

In assenza di un campo magnetico le particelle

cariche del plasma hanno traiettorie casuali (1),

n un opportuno campo magnetico

riusciamo a intrappolare le particelle del plasma

go un percorso predefinito: per mezzo di un

possiamo generare un campo

magnetico con linee di forza

parallele all’asse del

contenitore, ovvero la

cavità interna del

solenoide. Se la camera di

contenimento del plasma è

cilindrica (2) le particelle

non vengono disperse

radialmente grazie alla

forza di Lorentz, ma vanno

comunque a bombardare le

due estremità del

contenitore; perdono la

loro energia e il plasma si

raffredda. Per ovviare a

questo problema, nel 1950

all’istituto di Fisica Atomica

di Mosca, si pensò di

chiudere il contenitore

cilindrico su stesso, così da

formare un contenitore

toroidale, ribattezzato

Tokamak (3).


Il Tokamak

Il Tokamak consiste quindi in un solenoide chiuso

(a forma di “ciambella”) all’interno del quale le

linee di forza del campo magnetico sono chiuse a

formare ciascuna una circonferenza: le particelle

non dovrebbero trovare ostacoli sul loro

cammino. L’attuale sfida tecnologica è quella di

perfezionare il sistema di confinamento

magnetico, così da ridurre al minimo la possibilità

di contatto del plasma con le pareti del

contenitore: l’urto tra le particelle tende a

diffonderle radialmente, verso le pareti del

Tokamak; inoltre la curvatura delle linee di forza

del campo magnetico generano un fenomeno di

deriva delle particelle nella direzione dell’asse

del toro.

Il Tokamak è

quindi costituito

da un anello

toroidale che

circonda un

“circuito

magnetico” (in

rosso nella figura),

detto nucleo.

Attorno al nucleo

sono avvolti le

spire di un

solenoide

(azzurro) ed il toro (spire gialle) . Il solenoide

centrale e il toro sono rispettivamente il circuito

primario ed il circuito secondario di un

trasformatore: si manda corrente nel circuito

primario; la corrente sviluppa nel circuito

magnetico un flusso di induzione magnetica φ.

Una variazione di corrente nel circuito primario

genera una variazione del flusso concatenato Δφ,

e la creazione di una Forza Elettromotrice E lungo

il circuito secondario (Legge di Faraday-

Neumann):

� � � ∆Φ

Δ�

dove Δt è l’intervallo di tempo in cui la variazione

è avvenuta.

Se nel circuito secondario, cioè il toro, sono

presenti cariche elettriche libere, esse vengono

accelerate e nel secondario fluisce una corrente

elettrica.

Queste cariche elettriche libere sono gli elettroni

e gli ioni preesistenti nella miscela che diventano

via via più numerosi per effetto degli urti fra

elettroni e atomi neutri e contribuiscono ad

aumentare la densità di cariche libere: questo

fenomeno, chiamato “scarica”, permette quindi

di ottenere il Plasma da fusione.

Nota: nella figura sono presenti anche le bobine

poloidali, necessarie a mitigare le instabilità del

plasma.

Gran parte del

gas presente nella

camera viene

ionizzato e la

corrente elettrica,

per effetto Joule,

riscalda il plasma

stesso per la

legge di Ohm:

questo è

chiamato quindi

riscaldamento

Ohmico. Questo è

il primo metodo

per riscaldare il plasma ma ha dei limiti: la

potenza trasferita al plasma è:


dove R è la resistenza del plasma in quanto

conduttore e I è la

corrente nel plasma.

La resistenza del plasma

diminuisce al crescere

della temperatura del

plasma, perciò con

l’aumento della

temperatura la potenza

ohmica riscaldante

diminuisce. Sono

necessari quindi sistemi di

riscaldamento ausiliari:

Riscaldamento con onde elettromagnetiche: il plasma può assorbire energia da onde elettromagnetiche in risonanza con la frequenza di ciclotrone delle particelle che lo compongono. Particolari antenne (come quelle contenute nei forni a microonde) iniettano le radioonde all’interno della camera di confinamento. La scelta della frequenza definisce il tipo di particella con cui le onde entreranno in risonanza. Si dividono in risonanza ciclotronica ionica (25-55 MHz) per riscaldare gli ioni (nuclei) e ciclotronica

elettronica (100-200 GHz) per gli elettroni.

Riscaldamento con fasci di

atomi neutri: un acceleratore di particelle può generare particelle, con una velocità molto elevata, generando una potenza pari a 5 MW . Per utilizzare questa tecnica di riscaldamento, abbiamo bisogno di particelle neutre, poiché quelle cariche sarebbero deviate dal campo magnetico. Le

particelle neutre che entrano nel plasma collidono con le particelle del plasma, perdono gli elettroni e diventano cariche, cosi che rimangono confinate dal campo magnetico. L’energia delle particelle viene cosi trasferita al plasma. L’iniettore di neutri è un progetto in via di

sviluppo proprio a Padova, a cui partecipano il

consorzio RFX e i Legnaro National Laboratories

(INFN).

La centrale a fusione

Arriviamo dunque alla centrale a fusione: si


ricordi che lo schema qui proposto non è stato ancora realizzato. Il percorso da affrontare per ottenere una fonte di energia competitiva con quelle attuali è ancora lungo e irto di ostacoli. Quello illustrato è il modello più promettente fino ad ora: molto probabilmente le prime centrali a fusione nucleare utilizzeranno il ciclo deuterio-

trizio (D-T) e saranno basate sul confinamento

magnetico e configurazione del plasma di tipo

Tokamak. (i punti dell’elenco si riferiscono alla

figura della pagina precedente)

1. si immette corrente nelle bobine di

campo toroidale e viene introdottala miscela di D-T all’interno della camera di confinamento, dove è realizzato il vuoto spinto; si immette corrente nel circuito primario del trasformatore (il solenoide centrale) creando il flusso φ nel nucleo;

2. l’abbassamento della corrente nel solenoide centrale genera una Forza

Elettromotrice indotta nel toro: le particelle cariche accelerano e urtano tra di loro, si accende la scarica e si ottiene plasma. Questo viene ulteriormente riscaldato con i sistemi ausiliari (fasci di atomi neutri e radioonde).

3. gli urti tra i nuclei generano particelle α

(nuclei di Elio con), radiazioni e neutroni. I nuclei di Elio, con il 20% dell’energia prodotta dalla fusione, rimangono confinati all’interno del toro, e rallentando cedono la loro energia cinetica al plasma. I neutroni, non essendo influenzati dal campo magnetico o elettrico, sfuggono al contenimento: questi impattano su un rivestimento della camera chiamato mantello (blanket) e vi depositano la loro energia cinetica, l’80% del totale prodotto.

4. Il mantello che circonda il plasma contiene un materiale a base di litio in quanto i neutroni in uscita dal plasma, reagendo con il suo isotopo Li-6, producono il Trizio, secondo la seguente reazione:

Per questo si parla di mantello o copertura fertilizzante: il Trizio viene estratto da mantello e reintrodotto con Deuterio all’interno del reattore.

5. nel mantello avviene l’estrazione del calore trasportato dai neutroni attraverso un sistema di raffreddamento che rappresenta il circuito primario della centrale di produzione dell’energia. Nel caso di produzione di elettricità questo calore viene convertito in energia elettrica secondo gli schemi classici delle

centrali termoelettriche, cioè il riscaldamento di acqua, la generazione di vapore e la conversione in energia elettrica tramite una turbina e un alternatore.

Le materie prime necessarie al funzionamento di un reattore a fusione saranno quindi il Deuterio e il Litio, elementi entrambi abbondantemente presenti in natura: ogni litro di acqua contiene 33 milligrammi di Deuterio; mentre le riserve terrestri di Litio stimate corrispondono a 25.000 tonnellate (concentrate soprattutto in Sud America, in Bolivia, Cile, Argentina). Inoltre, il Litio è presente nella misura di 0.1 mg/litro nell’acqua di mare. Si può quindi concludere che le riserve di combustibile per la fusione siano

virtualmente illimitate. Le “ceneri della combustione” ovvero le particelle alfa, la parte di miscela D-T incombusta, le impurità derivanti dall’interazione del plasma con le pareti della camera di confinamento, vengono estratte all’esterno attraverso il divertore, un sistema apposito per la rimozione di queste scorie posizionato sul fondo della camera a vuoto.

Figura 6 schema di un settore della camera a vuoto

Il gas recuperato viene filtrato e diviso nei diversi componenti attraverso un sistema di pompe: Deuterio e Trizio vengono iniettati di nuovo nel


reattore mentre l’Elio viene raccolto in contenitori appositi, pronto per altri utilizzi. La parete interna del mantello fertilizzante e il divertore sono gli elementi del reattore a diretto contatto con il plasma e quindi sono soggetti ad un massimo irraggiamento dovuto ai neutroni prodotti dalla fusione: subiscono quindi un danno

da radiazione che ne compromette le proprietà meccaniche ed elettriche e necessitano di essere rimpiazzati con una certa frequenza. Mantello e divertore sono inoltre racchiusi all’interno di uno schermo neutronico, così da evitare il danneggiamento della camera da vuoto e dei magneti. Nella centrale a fusione verranno utilizzati magneti superconduttori in quanto con conduttori normali la perdita di energia per effetto Joule sarebbe troppo elevata: sotto una temperatura critica questi non offrono alcuna resistenza al passaggio di corrente elettrica. Per raggiungere questa temperatura critica, si utilizza un criostato ad Elio liquido. La centrale a fusione, a differenza delle macchine sperimentali (JET, Joint European Torus, è attualmente il più grande esperimento Tokamak di fusione europeo) con un funzionamento a impulsi, funzionerà in maniera continuativa grazie all’apporto continuo di potenza dall’esterno, fornita con i metodi di riscaldamento ausiliari di cui abbiamo parlato sopra. Per quanto riguarda la sicurezza della centrale, la presenza nel combustibile del Trizio, isotopo

radioattivo dell’Idrogeno di tipo β con tempo di dimezzamento di 12.33 anni, e degli altri componenti radioattivi prodotti dall’irraggiamento neutronico rende necessarie delle barriere adeguate al loro confinamento. Ciò richiede operazioni di manutenzione e sostituzione fatte a distanza (tele manipolazione). La scorie di una centrale a fusione nucleare così concepita risultano comunque meno difficili da smaltire di quelle prodotte da una centrale a fissione nucleare. Occorre quindi riassumere i pregi e difetti di questa futura tecnologia energetica:

Il cammino della fusione verso la

commercializzazione Alla luce delle ricerche attuali, il cammino verso la commercializzazione della fusione passa attraverso le tappe seguenti: • la realizzazione di ITER, un impianto che, pur senza produrre energia elettrica, permetterà di provare la fattibilità e le condizioni operative della maggior parte dei componenti della centrale.

• La realizzazione di una centrale di

dimostrazione (DEMO) che provi la produzione netta di elettricità e possa anche rappresentare un credibile prototipo della centrale commerciale, anche se non ancora ottimizzata dal punto di vista economico. Uno dei problemi più importanti per il progetto della futura centrale a fusione è la scelta dei

materiali che saranno esposti al flusso neutronico. ITER, a causa del suo carattere ancora sperimentale, non potrà produrre un numero di neutroni comparabile a quello che si avrà in DEMO. Per questo motivo, in parallelo alla costruzione di ITER, si costruirà una sorgente intensa di neutroni per verificare il comportamento sotto irraggiamento a lungo termine dei materiali della centrale.

Pregi Difetti

• abbondanza del combustile (Deuterio e Litio)

• zero emissioni di CO2

• periodo di smaltimento delle scorie breve rispetto ad reattore a fissione (100 anni contro 1000 anni dopo l’estrazione)

• sicurezza intrinseca della centrale ( non essendo una reazione a catena, in assenza di combustibile la fusione si ferma)

• ancora in fase sperimentale

• ostacoli tecnologici non indifferenti

• alta competitività dei combustibili fossili


Il progetto si questo impianto , chiamato IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), è stato già completato a livello internazionale. Si sta ora per avviarne la realizzazione nell’ambito di un accordo tra Unione Europea e Giappone. La costruzione e l’operazione di ITER richiederanno circa 20 anni. Il progetto esecutivo di DEMO potrà iniziare durante l’operazione di ITER utilizzando

anche i dati provenienti dalle prove in IFMIF, e procederà con la costruzione e il collegamento alla rete elettrica della centrale stessa intorno al 2035. Questo sarà il momento della verifica finale sulla capacità della fusione di realizzare centrali elettriche su larga scala; se l’esito sarà positivo, inizierà la commercializzazione di questa forma di energia.

Fonti: bibliografia e sitografia

• per la documentazione principale: FISICA E INGEGNERIA DELLA FUSIONE: LA RICERCA VERSO UNA

NUOVA FONTE DI ENERGIA, opuscolo redatto dai ricercatori del Consorzio RFX di Padova;

• per immagini e animazioni Flash: FUSION – POWER FOR FUTURE GENERATIONS, software

interattivo su CD realizzato da EFDA – European Fusion Development Agreement;

• per approfondimenti sul Tokamak ed ulteriori immagini: HTTP://WWW-FUSION-

MAGNETIQUE.CEA.FR, sito di CEA, ente di ricerca francese per la ricerca sulla fusione;

• per le leggi fisiche: La FISICA PER IL LICEI SCIENTIFICI, di U.Amaldi, libro di testo adottato in

classe;

• per informazioni aggiuntive e chiarimenti: WWW.WIKIPEDIA.IT , l’enciclopedia libera

Si ringraziano:

• Raoul Casellato, per lo stimolo ad approfondire la questione energetica;

• Davide Moro, per la pazienza e il materiale fornito;

• Fulvio Auriemma, del CNR di Padova per l’incontro divulgativo sulla fusione;

• Luca Silvestrin, per la sua preziosa consulenza;

• Prof. Petrocelli, per l’attenzione e il controllo finale del lavoro.

Centrale a Fusione Nucleare_Zitelli Francesco

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