IL FABBISOGNO ENERGETICO MONDIALE -...

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10a_EAIEE_ FUSIONE_NUCLEARE_TOKAMAK

(ultima modifica 03/12/2013)

IL FABBISOGNO ENERGETICO MONDIALE

Situazione attuale e proiezioni per il futuro

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Le fonti di energia sono classificate in :

• fonti di energia tradizionali

Le fonti di energia tradizionale sono quelle che utilizzano i

combustibili fossili per ottenere energia meccanica e/o

elettrica. Esse costituiscono fonti di energia non rinnovabili.

Attualmente con queste fonti si genera l’aliquota maggiore di

energia prodotta.

• fonte di energia alternativa

Le fonti di energia alternativa producono energia meccanica e/o

elettrica con processi differenti da quelli delle fonti

tradizionali.

2


Esempi di fonti energetiche alternative :

•Energia nucleare: generata con la fissione o con la fusione

•Energia idroelettrica

•Energia geotermica

•Energia eolica

•Energia solare: generata con le centrali solari termiche o centrali

fotovoltaiche)

•Energia del moto ondoso e delle maree

•Energia prodotta dalla dissociazione molecolare (rifiuti urbani, biomassa…)

•Energia marina

•Agroenergie

1. biogass: prodotto dalla fermentazione batterica in assenza di ossigeno dei

residui organici provenienti da rifiuti.

2. produzione di biocarburante: biodisel, green diesel, olio di colza, biometanolo

…

3


Grid Parity

Per valutare la convenienza economica dell’utilizzazione

di una fonte di energia alternativa

↓ occorre calcolare la grid parity .

La grid Parity è la condizione per la quale l’energia elettrica prodotta

con metodi alternativi (energie rinnovabili) ha lo stesso costo della

energia tradizionale che viene fornita dalla rete elettrica esistente***.

*********************************************************************************

Per rete elettrica esistente si intende la rete reale attuale, che è alimentata da diverse tipi di fonti di

energia (tradizionale e non, rinnovabile e non).

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Grid Parity

Attualmente non è stato raggiunto il grid parity per tutte le fonti di

energia alternative.

Per esempio per l’energia solare questo traguardo è stato raggiunto

in aree con sole abbondante e alti costi per l'energia tradizionale,

come in California, Spagna e Hawaii e non è stato raggiunto in

molti altri paesi, dove le condizioni climatiche non sono favorevoli

o/e esiste ancora il vantaggio economico dell’approvvigionamento

di combustibili tradizionali.

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Le fonti energetiche nel mondo

industrializzato

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è relativa a quella prodotta da 1t di petrolio grezzo

Il Toe rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione

di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ

1 Toe 41,868 GJ o 11,639 MWh, quindi

1 Toe ≈ 42 109 J o ≈ 12 106Wh

1 Mtoe=106 Toe ≈ 42 P J o ≈ 12 T Wh, quindi

1 Mtoe=106 Toe ≈ 42 1015 J o ≈ 12 1012 Wh

P =peta= 1015 T=tera= 1012 G =giga= 109 M=mega= 106

1 Wh ≡ 3 600J

Unità di misura per quantificare i consumi di energia

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8 10a_EAIEE_FUSIONE_NUCLEARE_TOKAMA

K

15

10

5

1

1000 1200 1400 1600 1800 1920 1970 2000 2030

Negli ultimi decenni il il consumo mondiale di energia nel pianeta ha subito rapidi cambiamenti.

In 30 anni dal 1970 al 2000 il consumo mondiale di energia è raddoppiato Nel 2000 ha raggiunto i 10 miliardi di TEP (tonnellate equivalenti di petrolio) Per i 30 anni successivi al 2000 è previsto un ulteriore aumento del 50%

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Abitanti (milioni)

Consumi di energia (milioni di tep)

Il consumo pro capite è diverso nei paesi del mondo

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Come sono ripartite le fonti d’energia nel mondo ?

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Consumo più alto

L’America del Nord continua a essere il paese con il maggior consumo di energia anche se la percentuale

di energia consumata nel mondo è diminuita per l’aumento dei consumi dei paesi emergenti dell’Asia


1 Mtoe 12 miliardi kWh

Consumi di energia relativi alle diverse fonti

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Carbone % ↑

Petrolio % ↓

Gas naturale % ↑

Nucleare % ↑

Idroeletrico % ↑

Legna da ardere % ↓

Geotemico /solare/

eolico % ↑

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Un nord americano consuma 26 barili di petrolio all’anno

Un italiano consuma 12 barili di petrolio all’anno

Un cinese consuma 2 barili di petrolio all’anno

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Se tutti gli abitanti del pianeta consumassero

energia come gli abitanti del nord America, il

pianeta dovrebbe sopportare consumi di energia

14 volte quelli attuali, con conseguenze

economiche, sociali ed ambientali nemmeno

immaginabili.

↓

Una prospettiva non sostenibile.

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L’alta aliquota della energia prodotta con il petrolio potrebbe essere prodotta

con le centrali nucleari a fissione, ma non tutti i paesi le utilizzano

10a_EAIEE_FUSIONE

_NUCLEARE_TOKA

MAK

Andamento negli anni estrazione petrolio in miliardi di barili / anno Nel 2004 abbiamo già raggiunto il picco di produzione del petrolio e le previsioni indicano

una diminuzione costante delle possibilità di approvvigionamento per il futuro

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Quanto dureranno le fonti di energia convenzionali? Il deficit ( shortfall) di energia rispetto al valore richiesto

dovrà essere fornito con fonti alternative

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Vantaggi e svantaggi delle fonti alternative rispetto alle fonti di energia fossili

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L’ 80 % di tutta l’energia mondiale proviene da fonti fossili ( petrolio + gas + carbone )

petrolio gas carbone nucleare idro biomassa

35%

21% 23%

6,7% 2,4%

11%

Quale tipo di energia consumiamo sul pianeta ?

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distribuzione in % dei giacimenti di gas distribuzione in % dei giacimenti di petrolio

nordamerica

centrosud

america

europa ex unionesovietica

mediooriente

africa estremooriente

6,0 9,6

1,8

6,3

65,1

7,0

4,2 4,9 4,6 3,5

37,8

35,0

7,4 6,9

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Quale prezzo paghiamo nell’uso delle fonti fossili ?

• Piogge acide prodotte dall’immissione nell’atmosfera di Zolfo

• Continuo aumento della concentrazione dell’anidride carbonica

(CO2) Aumento dell’effetto serra

CO

2 [

pp

m]

270

290

310

330

350

1000 1200 1400 1600 1800 2000

anno

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Effetto serra • Aumento della temperatura della superficie terrestre

• Aumento delle precipitazioni

• Diminuzione dei ghiacciai

• Crescita del livello del mare

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Energia e fusione: le sfide del futuro

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Si prevede che il fabbisogno mondiale di energia

•aumento del 50% del valore attuale nei prossimi 30 anni e che

• raddoppi nei prossimi 50 anni,

a causa di:

• aumento della popolazione e

• aumento dei consumi pro capite.

Il massimo aumento della domanda presumibilmente verrà dai

paesi in via di sviluppo come la Cina e l’India.


Linee guida attuali

• Utilizzare meno petrolio e più gas e/o carbone

• Ricorrere ad una rigorosa politica di uso intelligente dei

combustibili

• Sviluppare tutte le tecnologie che non producono CO2.

Una soluzione alternativa

potrebbe essere

La fusione termonucleare controllata

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L'Europa, come le altre zone del mondo industrializzato, ha

poche risorse proprie che consentono di produrre energia

senza emissioni di gas a effetto serra. Per arrestare il

continuo aumento della dipendenza dall'energia importata,

occorre mettere a punto nuove fonti di energia pulita.

Si prevede che la fusione termonucleare controllata come

fonte di energia, sarà realizzabile entro la metà del secolo

(2050).

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L’obiettivo finale dell’uso del processo fisico della

fusione termonucleare controllata

sarà quello di

• sostituire le centrali termoelettriche per coprire l’aliquota

più alta della richiesta di energia (fondamentalmente quasi

tutta la base di richiesta costante dei diagrammi di carico)

e

• assumere un ruolo significativo nell'offrire una soluzione

sostenibile e sicura al fabbisogno di energia dell'Europa e

del mondo.


Vantaggi della fusione

• La fusione presenta alcuni vantaggi significativi per le

considerazioni ambientali, operative e di sicurezza. Le risorse di

combustibile di base richiesto (Deuterio e Litio) sono abbondanti

e si trovano praticamente ovunque sulla Terra;

• Il residuo della fusione è l‘Elio e come i combustibili di base, non

è radioattivo;

• Il combustibile intermedio (Trizio) viene prodotto dal Litio nel

mantello del reattore. Il Trizio è un materiale radiattivo.

Ma per il funzionamento giornaliero di una centrale elettrica a

fusione la quantità richiesta è limitata, per cui non è necessario

organizzare il trasporto di materiale radioattivo.

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• L'energia di fusione costituisce una fonte di energia

sostenibile, su grande scala.

• Rispetto alla energia eolica, solare e delle maree ha il

vantaggio di essere indipendente dalle condizioni climatiche e

consente un'erogazione continua su tutto l'arco di tempo

giornaliero e annuale.

• I raggi beta β generati negli impianti a fusione nucleare,

possono essere assorbiti dagli strati più esterni della pelle

umana e così generalmente non sono pericolosi per la vita a

meno che la sorgente non venga inalata o ingerita. In questo

caso i danni sarebbero invece maggiori di quelli causati da

qualsiasi altra radiazione ionizzante. Se il dosaggio fosse

abbastanza elevato comparirebbero tutti i sintomi tipici

dell‘avvelenamento per radiazione.

28

http://it.wikipedia.org/wiki/Avvelenamento_da_radiazione


29

Capacità di penetrazione dei raggi alfa α, beta β e gamma γ

I raggi alfa α ( nuclei: 2

protoni+ 2 neutroni)) e

beta β (elettroni) propagandosi

vengono deviati in direzione

opposta essendo cariche con

polarità opposte.

Mentre i raggi gamma γ

(radiazioni elettromagnetiche) si

propagano senza deviazione,

non essendo carichi



• Il 90% delle scorie hanno una bassa radioattività che si

esaurisce in 12,5 anni.

Si riduce anche il problema sociale e politico dello stoccaggio,

mentre l'attuale fissione nucleare produce scorie ad altissima

radioattività che impiegano 100.000 anni per esaurirsi e quindi

un lungo periodo di tempo che coinvolge molte generazioni

future.

• Le centrali a fusione producono un gas di scarico non

radioattivo (l'elio) e non producono gas ad effetto serra che

influisce sul riscaldamento globale.

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Svantaggi della fusione

Attualmente non è ancora possibile controllare il processo della

fusione nucleare e

l’obiettivo

↓

da raggiungere è che le centrali a fusione nucleare abbaino

intrinseche caratteristiche di sicurezza, ossia

↓

dovranno essere impossibili gli incidenti di:

•runaway ( perdita del controllo del processo) o di

•meltdown (danneggiamento del cuore del reattore per sovra-

temperatura)

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Il Trizio (simbolo 3H o T, detto anche idrogeno-3) è un isotopo

radiativo dell’idrogeno con un nucleo formato da 1 protone e

2 neutroni.

In condizioni standard di pressione e temperatura il Trizio forma un

gas di molecole biatomiche (T2).

Il trizio (T) è radioattivo, con tempo di dimezzamento di circa 12,5

anni. La sua disintegrazione comporta l'emissione di particelle β e la

trasformazione in elio-3.

La radiazione beta β a bassa energia emessa dal decadimento del trizio

non penetra nel corpo umano attraverso la pelle (in realtà penetra solo

in uno strato sottile più esterno della pelle) e quindi il trizio è dannoso

soprattutto se ingerito od inalato.

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L’agenzia statunitense US Enviromental Protection Agency afferma che la

dispersione di trizio radioattivo nell'ambiente fa aumentare il rischio di sviluppare il

cancro. In Virginia il Trizio radiativo si è infiltrato nelle acque

sotterranee dove esistono due centrali nucleare commerciali.

Ma il trizio radioattivo non è stato ritrovato solo nel terreno sotto le due centrali in

Virginia, lo si è rivelato perché disperso anche in 48 delle 65 centrali nucleari

americane nel corso della loro storia operativa.

Le perdite da 37 centrali hanno superato i limiti federali sulle norme relative

all'acqua potabile.

Il trizio radioattivo si disperde dalle centrali nucleari per inquinare l'ambiente a

causa dalla corrosione dei tubi interrati, così come dagli impianti che portano

l'acqua utilizzata per raffreddare i reattori.

Bere acqua con trizio radioattivo addizionato in quantità con percentuali consentite

dai limiti di legge, rischia comunque di sviluppare il cancro in 7 casi su 200 mila.

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La fusione

Il fenomeno fisico naturale della fusione avviene continuamente nel

sole e nelle stelle.

Gli atomi degli elementi leggeri, come l'idrogeno, che si trovano al

centro del Sole, con temperature di circa 15 milioni di gradi Celsius

( 15 106 C°) e pressioni gravitazionali elevatissime, si scontrano e

si fondono. Per via delle grandissime dimensioni del Sole, questo

processo produce grandi quantità di energia.

Sulla Terra, gli scienziati hanno costruito apparati capaci di

produrre temperature 10 volte più elevate di quelle presenti

all'interno del Sole, per rendere possibile l'uso della fusione come

fonte energetica utilizzabile sulla Terra.

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Alle alte temperature gli atomi diventano completamente

ionizzati - ossia gli elettroni e i nuclei atomici si separano,

formando uno stato della materia chiamato plasma.

Il plasma , al contrario dei gas, per la sua costituzione è molto

sensibile ai campi magnetici.

Aspetto negativo delle alte temperature richieste per

ottenere il plasma.

Quando il gas viene riscaldato a temperature superiori ai 150

milioni di gradi Celsius per generare il plasma e produrre

energia esso deve essere contenuto e regolato, infatti a queste

temperature non esistono materiali che possano entrare in

contatto con il plasma senza danneggiarsi irrimediabilmente.

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Poiché il plasma, contrariamente ai gas, è molto sensibile ai

campi elettromagnetici esso può essere contenuto e regolato

mediante potenti campi magnetici.

La sfida della ricerca attuale per la fusione nucleare

consiste

nell'utilizzare le conoscenze scientifiche e tecnologiche sul

fenomeno della fusione, per confinare e regolare il plasma per

poter usufruire di una fonte di energia affidabile, sicura,

rispettosa dell'ambiente e producibile in grandissima quantità.

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La ricerca scientifica ha sviluppato gli studi sulla fusione nucleare,

già nei primi decenni del 1900, in seguito alla scoperta del

fenomeno legato alla energia liberata dalla reazione di fusione di

nuclei di elementi leggeri.

La fusione nucleare è stata studiata per scopi bellici e per scopi

pacifici.

L’importanza dello studio per l’applicazione di questa tecnologia fu

percepita da diversi paesi europei e nel 1985 Gorbaciov ipotizzo un

progetto per la realizzazione di una centrale a fusione nucleare .

Oggi sono coinvolti nel progetto 34 governi (più della metà della

popolazione mondiale) e si prevede nella migliore delle ipotesi di

poter produrre energia elettrica con questo tipo di centrali solo nel

2027.

37


• Nel 1985 Gorbaciov propone a USA, Europa e Giappone il progetto per costruire un nuovo reattore per lo sviluppo della fusione per scopi pacifici, il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

38


Breve storia della ricerca nel campo della fusione nucleare

• I primi studi risalgono agli anni 20-30 del ventesimo secolo (Rutherford e altri)

• Negli anni 50 viene realizzata la fusione nella bomba H a reazione termo-nucleare , messa a punto dal premio Nobel Andrej Sacharov e Igor’ Tamm insignito del premio Nobel per la Fisica. Essi progettano il primo Tokamak.

• Nel 1962 A. Sacharov protestò con il segretario del partito comunista Nikita Chruscev per una nuova serie di esperimenti atomici che riteneva ingiustificati e non necessari, ma non venne ascoltato. Da allora il fisico divenne uno scienziato dissidente.

• Negli anni 60-70 lo studio della fusione si è diffuso presso tutti i maggiori paesi industrializzati. Allora si prometteva che dopo 30 anni sarebbe diventata l’energia del futuro. In particolare il trattato EURATOM (European Atomic Energy Community) ha istituito la Comunità Europea dell‘Energia Atomica (Euratom stata istituita nel 1957 ed è operativa da giugno 1960).

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• La Comunità Europea dell‘Energia Atomica (EURATOM) è stata inizialmente istituita per coordinare i programmi di ricerca degli Stati Membri per l'uso pacifico dell'energia nucleare. Oggi essa aiuta a raggruppare le conoscenze, le infrastrutture, e il finanziamento dell'energia nucleare e garantisce la sicurezza dell'approvvigionamento dell'energia atomica nel quadro di un sistema di monitoraggio centralizzato.

• Negli anni 70 l’ENEA realizza nei laboratori di Frascati il primo Tokamak FT (Frascati Tokamak) operativo dal 1977 e il FTU (Frascati Tokamak Upgrade).

• Nel 1978 inizia la realizzazione del JET (Joined European Torus) il primo Tokamak costruito dalla Comunità Europea, che ottiene ottimi risultati.

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JET (Joined European Torus) Oxford UK nel centro

UKAEA United Kingdom Atomic Energy Autority

41


• Il 5 Febbraio 2007 Giappone ed EURATOM hanno firmano un

accordo di collaborazione per attività comuni nel campo delle

ricerche sulla energia da fusione nucleare.

• L’ENEA è l’unica interfaccia italiana con EURATOM e, sulla

base di una delibera del CIPE del 1983, coordina e pianifica,

attraverso specifici accordi di collaborazione o di associazione

con altri organismi di ricerca nazionale, tutte le ricerche nel

campo della fusione attraverso il Contratto di Associazione

EURATOM-ENEA.

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Le ricerche coordinate dall’ENEA sono svolte in collaborazione

con:

• il CNR (Istituto di Fisica del Plasma di Milano),

• il Consorzio RFX di Padova,

• il Politecnico di Torino,

• il Consorzio CREATE (Università di Cassino, Napoli e Reggio

Calabria),

• l’Università di Catania e

• le Università di Roma Tor Vergata e La Sapienza.

Il gruppo di ricerca dell’Associazione EURATOM-ENEA è, per

volume di attività, secondo solamente a quello tedesco. Nella

collaborazione europea riveste particolare rilevanza la gestione

comune del grande esperimento di fusione JET (Joint European

Torus-Regno Unito), in cui l’ENEA ha un ruolo importante.

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EURATOM partecipa, attraverso l’Agenzia Europea Fusion for

Energy (F4E), alla realizzazione del progetto internazionale ITER

per lo sviluppo dell’energia da fusione, che vede attualmente

coinvolti l’UE Unione Europea, la Federazione Russa, gli Stati

Uniti, il Giappone, la Cina, l’India e la Corea del Sud.

L’ENEA è inoltre presente nell’ Advisory Committee

dell’EURATOM Supply Agency, operativa dal 1960, che agisce

sotto la supervisione del Commissario Europeo per l’Energia. La

missione dell’Agenzia è quella di garantire che tutti gli utenti della

UE godano di un regolare ed equo approvvigionamento di minerali

e combustibili nucleari (materie grezze e materiali speciali fissili).

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Nel 2006 si avvia operativamente il progetto ITER

45


Attualmente il progetto ITER, come si vede nella mappa mondiale che

mostra i paesi coinvolti e coordinati dal programma europeo, si pone

come la più importante collaborazione scientifica internazionale ed è un

punto di riferimento per il mondo scientifico.

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I futuri sviluppi della fusione a confinamento magnetico:

•il progetto internazionale per la costruzione di un reattore nucleare,

ITER (International Thermonuclear Experimental), la cui

costruzione sorgerà in Francia a Caradache (Provenza), e

•gli studi sul reattore commerciale a fusione .

Parallelamente vengono compiuti studi sulle applicazioni industriali

e tecnologiche dei plasmi, che vengono svolti in diversi centri di

ricerca (in Italia presso il Consorzio RFX a Padova e i centri di

ricerca dell’ENEA) .

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Per ottimizzare il funzionamento dell’ITER la ciambella

dell’ITER ha una sezione a forma della lettera D.

Il limite principale per l’applicazione dei Tokamak è legato alla

potenza dei campi magnetici.

Quando si riuscirà a produrre magneti sufficientemente potenti

i tokamak diventeranno reattori in grado di produrre enormi

quantità di energia. Per ottenere campi magnetici intensi

occorre realizzare bobine che possano essere attraversate da

correnti elevate e per questo motivo si cerca di realizzarle con i

superconduttori che lavorano a temperature molto basse ( fisica

della criogenia)

48


ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)

49



50

Tokamak foundations



Impianto previsto per il 2016-2018

51



52



53



54



55



56

Sezione del Tokamak



57


Alcuni numeri significativi per comprendere l’enormità del

progetto:

•150.000.000 °C temperatura necessaria per innescare la fusione

•13 T (tesla) è il campo magnetico richiesto per contenere la

reazione, pari a 260.000 volte quello terrestre

•23000 t (tonnellate) il peso degli elementi da assemblare

•500 numero dei ricercatori che lavorano all’ITER

•15 miliardi di euro è il costo totale presunto per raggiungere gli

obiettivi progettuali

•15 miliardi di euro è il costo presunto di gestione annuale

dell’impianto

•20 anni la vita prevista per il reattore a fusione ITER

(tempo entro il quale si dovrebbero ammortizzare i costi)

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Il programma europeo di ricerca sulla fusione

Tutta la ricerca sulla fusione in Europa è coordinata dalla

Commissione europea e i finanziamenti sono erogati tramite

l'Euratom (Comunità europea dell'energia atomica), che fa

parte dei Programmi quadro comunitari di ricerca e sviluppo

tecnologico.

Il trattato che ha istituito l’Euratom è stato stipulato nel 1957 con

l'obiettivo di coordinare la ricerca e la formazione nel nucleare

nell'ambito della Comunità europea dell'energia atomica.

Il programma è quindi totalmente coordinato e integrato a livello

europeo. Esso viene attuato mediante due meccanismi

principali: Contratti di associazione tra Euratom e Stati membri

UE (o organizzazioni di tali Stati) e Stati terzi associati con

l'Euratom.

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L'Accordo europeo sullo sviluppo della fusione (EFDA)

coordina le attività tecnologiche, l'utilizzazione scientifica

del JET (Joint European Torus) e i contributi europei alle

collaborazioni internazionali.

In questo ambito l'attenzione è concentrata principalmente

sul contributo europeo al progetto internazionale sulla

energia di fusione: ITER.

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Lo schema concettuale per le future centrali elettriche a fusione

si basa sulle linee di ricerca attuali; in particolare il Tokamak,

che a scopo dimostrativo ha già generato per pochi secondi

energia pari a 16 MW.

Problema

I meccanismi della fusione non sono ancora abbastanza

conosciuti per una dimostrazione scientifica e tecnologica

esaustiva della fusione, anche se la Ricerca Scientifica per la

tecnologia richiesta per costruire una centrale elettrica

commerciale sta andando avanti.

L'approccio coordinato e collaborativo adottato dall'Europa ha

reso possibile l'attuazione di progetti congiunti, che è culminata

con il JET (Joint European Torus) sito ad Abingdon (Regno

Unito).

61


Sito del JET (Joint European Torus) ad Abingdon

vicino ad Oxford nel Regno Unito.

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63

Il volume del plasma nel jet raggiunge

circa 150 metri cubi

Nella prima figura è riportata una

immagine dell’interno del JET.

Si noti la sezione non è quella circolare

del toro ma è stata modificata a forma

di D per favorire il prelevamento delle

impurità del processo di fusione nella

parte inferiore dove è stato inserito il

divertore.

Nella seconda figura è interessante

vedere l'immagine della macchina

precedente con il plasma riscaldato al

suo interno che diventa luminescente.


JET (Joint European Torus)

64

Reattore Tokamak visto dall'esterno con

tutti i collegamenti alle molte e sofisticate

apparecchiature

per il controllo dell’intero sistema.

Il Jet è ancora il più potente al mondo.

Il JET essendo molto complesso, sofisticato

e costoso e richiede tante competenze

eccellenti e finanziamenti elevati.

Per questi motivi attualmente ogni Stato

membro non può intraprendere

autonomamente la costruzione.


Il JET attualmente è la sola macchina in grado di funzionare con il

combustibile composto da deuterio e trizio che si intende

utilizzare nelle future centrali elettriche commerciali a fusione.

Circa 2000 tra scienziati e tecnici lavorano attualmente alla

necessaria gamma di progetti nel campo della fisica e della

tecnologia della fusione in più di 30 laboratori sparsi negli Stati

membri e nei paesi associati.

Questa operazione congiunta e coordinata ha dato vita a un

modello di “Spazio Europeo della Ricerca” ed ha collocato

l'Europa all'avanguardia mondiale nella ricerca sulla fusione.

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Dimensioni a confronto degli impianti ITER e JET

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Reattore ITER: componenti principali

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Percentuale dei costi previsti

L’Italia con l’ ENEA , ha realizzato i superconduttori per le bobine superconduttrici,

dell’ITER, che rappresentano la parte fondamentale del sistema per la realizzazione

del reattore e, come riporta il grafico, la più costosa.

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ITER - la prossima fase

ITER - come “itinerario” - è un progetto internazionale di ricerca

e sviluppo concepito per compiere il grande passo successivo

nello sviluppo dell'energia di fusione, prendendo come punto di

partenza le conoscenze fisiche costituite e la tecnologia

collaudata. L’ITER rappresenta il primo progetto completo

dell'impianto di fusione con le dimensioni di una centrale

elettrica convenzionale.

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ITER - la prossima fase

Negli ultimi dieci anni, l’ITER è diventato un piano ingegneristico

dettagliato, pronto ad essere costruito, per cui i modelli o

prototipi dei principali componenti tecnologici sono stati

costruiti dall'industria e sono stati collaudati sotto tutti gli

aspetti. In base a questa esperienza, l'industria ha valutato i

costi di costruzione in maniera approfondita.

Attualmente si sta procedendo all’assemblaggio delle diverse parti.

La collaborazione internazionale necessaria per produrre le

specifiche progettuali di ITER ha utilizzato un meccanismo

inedito poiché ha coordinato questo progetto di grande

impegno tecnico riunendo formazioni multiculturali e

geograficamente disperse.

70


Cooperazione mondiale

Esistono pochi ricercatori in grado di coordinare e

comprendere tutte le problematiche inerenti l’intero

impianto che sarà realizzato per produzione di energia

utilizzando il processo della fusione nucleare.

Questo risultato scientifico ragguardevole è stato reso possibile

dall'intervento dei maggiori scienziati e tecnici appartenenti

a centri di ricerca, a università e a imprese industriali di tutto

il mondo, che hanno costituito una compagine forte di

centinaia di addetti, nell'ambito di una collaborazione

strettamente subordinata alla logica del progetto.

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Per costruire e far funzionare l’ITER sarà necessaria una

collaborazione di livello mondiale.

Per la costruzione dell'impianto sono stati proposti siti su tre

continenti. Unione europea, Canada, Giappone, Federazione

Russa e, dal 2003, Stati Uniti d'America, Repubblica popolare

cinese e Repubblica di Corea, sono impegnati nei negoziati con

cui sarà organizzata l'attuazione del progetto.

Si prevede che saranno coinvolti anche altri paesi interessati.

72

M. Usai 10a_EAIEE_FUSIONE_NUCLEARE_TOKAMAK 73


I negoziati per la progettazione dell’ITER riguardano:

• la costruzione,

• il funzionamento e

• la dismissione di ITER, ma anche voci come

• la divisione dei costi,

• la struttura direttiva,

• i diritti di proprietà intellettuale e

• il sito.

Le attività tecniche di sostegno continuano a mantenere l'integrità

del progetto, studiano gli adattamenti progettuali per particolari

siti e avviano i preparativi per l'elaborazione della

documentazione per la concessione della licenza.

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Energia di fusione

Il progetto ITER comprenderà

gran parte delle soluzioni

tecnologiche necessarie per

una futura centrale elettrica a

fusione. Il tokamak ITER, alto

24 metri e largo 30 metri, sarà

più piccolo di una centrale

elettrica convenzionale.

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Produrrà energia termica con una potenza massima di 500 MW,

in un plasma di fusione toroidale con un volume di 800 m3

contenuto mediante forti campi magnetici. L'impianto offrirà

una dimostrazione della produzione di energia per una durata

prolungata, nella prospettiva finale di un funzionamento a

regime costante.

uomo


Il reattore ITER produrrà energia in quantità da 5 a 10 volte

superiore alla quantità necessaria per mantenere il

plasma a temperatura di fusione (150 milioni di gradi

Celsius), dimostrando in tal modo la fattibilità

dell'energia di fusione e della “combustione” continua.

Fisici ed ingegneri potranno sviluppare e ottimizzare le

tecnologie, i componenti e le strategie di regolazione per

le successive centrali a energia di fusione.

76


Strategia a lungo termine:

Produzione commerciale di energia

Secondo la programmazione prevista per la produzione di

energia di fusione, la produzione commerciale sarà

disponibile entro 50 anni.

Dopo ITER sono previste due ulteriori generazioni di

macchine sperimentali:

DEMO sarà utilizzato per dimostrare tutte le tecnologie che

accompagnano il reattore e per produrre, per la prima

volta, quantità significative di elettricità a partire

dall'energia di fusione; mentre

PROTO funzionerà come un prototipo di centrale elettrica,

che integrerà gli eventuali dettagli tecnologici restanti e

dimostrerà la fattibilità della produzione elettrica a titolo

commerciale.

77


Accelerazione degli studi per la fusione

Un recente studio di esperti ha elaborato un'impostazione

“accelerata” che potrebbe dimostrare la fattibilità

tecnica dell'energia di fusione su un arco di tempo di 25-

30 anni, a partire dalla costruzione del sistema ITER.

Per ottenere questo risultato, occorre eseguire in parallelo

fasi di ricerca sequenziali, come la realizzazione

congiunta dell'IFMIF (International Fusion Materials

Irradiation Facility) nel contesto della cooperazione

internazionale, mentre alcune delle sperimentazioni

tecnologiche previste per DEMO dovrebbero essere

integrate nell'esperimento ITER.

78


Accelerazione degli studi per la fusione

Si possono individuare due fasi internazionali di ricerca che

saranno sviluppate e coordinate parallelamente :

L’IFMIF è finalizzato al progetto, sviluppo, costruzione e test di

un prototipo di acceleratore a energia ridotta, da costruire in

Europa e installare in Giappone. In particolare sviluppa studi e

ricerche per ottimizzare e testare materiali da sottoporre a

sollecitazioni estreme tipiche in prossimità del plasma per un

reattore a fusione.

All’ITER seguirebbe un unico esperimento DEMO/PROTO, che

produrrebbe un prototipo credibile di reattore a fusione per la

produzione di energia elettrica. 79


Le due fasi internazionali di ricerca con la realizzazione congiunta dell'IFMIF

integrato nell'esperimento ITER, saranno sviluppate e coordinate parallelamente,

A queste due fasi seguirà un unico esperimento DEMO/PROTO

80

DEMO/PROTO


81


82

Le organizzazioni impegnate in attività di progettazione IFMIF

EU

Commissariat à l'Energie Atomique (CEA, France)

Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e L'Ambiente (ENEA,Italy)

Forschungszentrum Karlsruhe (FZK,Germany)

Institut fur Angewandte Physik-Universitat Frankfurt (IAP,Germany)

JAPAN

Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)

RUSSIAN FEDERATION

Institute for High Energy Physics (IHEP)

USA

Argonne National Laboratories (ANL)

Los Alamos National Laboratories (LANL)

Oak Ridge National Laboratories (ORNL)

http://www-dapnia.cea.fr/dapnia_anglais.html

http://www.enea.it/

http://www.fzk.de/

http://www.uni-frankfurt.de/



http://www.jaeri.go.jp/

http://www.ihep.su/

http://www.anl.gov/

http://www.lanl.gov/external/index.html

http://www.ornl.gov/


83


84

IFMIF: schema di funzionamento


Recentemente L’EURATON, considerati:

• i ritardi accumulati nelle scadenze delle fasi di ricerca sui

materiali che avrebbero dovuto rivestire il contenitore del

plasma e

• la forte lievitazione dei costi di questa fase della ricerca

rispetto a quelli preventivati,

↓

ha stabilito di bypassare questa fase di ricerca sui materiali con

alta percentuale di grafite e realizzare i materiali dei componenti

che si affacciano sul plasma (prima parete interna del contenitore

e divertore) in tungsteno, che attualmente è il materiale più

resistente alle alte temperature.

85


Evoluzione e sviluppo della tecnologia della fusione nucleare

86


Evoluzione e sviluppo della tecnologia della fusione nucleare

87



Il programma europeo è quindi totalmente coordinato e integrato a

livello europeo.

Esso viene attuato mediante due meccanismi principali: Contratti

di associazione tra Euratom e Stati membri UE (o

organizzazioni di tali Stati) e Stati terzi associati con l'Euratom.

Tutti gli Stati membri partecipano in questo modo, oltre alla

Svizzera (dal 1979) e più recentemente la Repubblica ceca,

l'Ungheria, la Lettonia e la Romania. I ricercatori della

Bulgaria, della Repubblica slovacca e della Slovenia

partecipano a più riprese nell'ambito di contratti a termine

relativi a progetti specifici.

88


The European Fusion Development Agreement (EFDA)

L‘EFDA o European Fusion Development Agreement

(Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione) è un accordo tra

le istituzioni europee di ricerca sulla fusione e la Commissione

europea per rafforzare il loro coordinamento la collaborazione, e

la partecipazione ad attività collettive.

Le sue attività includono il coordinamento delle fisica e della

tecnologia nei laboratori dell'Unione europea, lo sfruttamento del

più grande esperimento del mondo fusione, il Joint European

Torus (JET) nel Regno Unito, la formazione e lo sviluppo della

carriera dei contributi dell'Unione europea e fusione alle

collaborazioni internazionali.

89


L‘EFDA o European Fusion Development Agreement

(Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione) fa parte del

programma europeo EURATON (European Atomic Energy

Community) della commissione europea.

90


Collaborazione

ITER è una collaborazione multinazionale tra paesi coinvolti nella

ricerca sulla fusione a livello mondiale. Si basa sul consenso tra

tutti i partecipanti. In un certo modo, estende al mondo intero il

modello di ricerca e sviluppo europeo che ha avuto successo

nel programma Euratom (The European Atomic Energy

Community) sulla fusione con JET.

Studi concettuali e di ingegneria per ITER hanno portato ad un

disegno progettuale dettagliato, finalizzato nel 2001. Questo

disegno è stato sostenuto da un grande programma di ricerca

che ha stabilito la fattibilità pratica di ITER e ha coinvolto

l’industria per la costruzione di prototipi in scala reale dei

componenti fondamentali di ITER. I risultati positivi dei test su

questi componenti, come i magneti superconduttori, hanno dato

uno slancio importante alla fiducia nel progetto.

91


Oltre a scienziati e ingegneri della fusione, il progetto ITER

richiederà una vasta gamma di personale altamente qualificato.

Le sfide

La costruzione e il funzionamento di ITER sono una sfida

internazionale di alto livello per la scienza, l’ingegneria e la

tecnologia, perché si lavora al limite della conoscenza umana.

Questa sfida è basata sugli esperimenti di fusione più

importanti, come il JET di Euratom, JT-60 in Giappone e il

TFTR negli Stati Uniti, e gli esperimenti di fusione nel

programma Euratom: tutti hanno fornito esperienza e dati

sulla fisica e tecnologia della fusione in preparazione a ITER.

La sfida scientifica è grande e fortemente alimentata dal bisogno

globale di fonti di energia pulita e sostenibile.

92


Joint European Torus (JET) Culham Science Centre, Abingdon Oxfordshire OX14 3DB United Kingdom

da.org/contact-us/location-map/

93


Ubicazione

ITER a Cadarache ( Provenza- Francia)

Il reattore ITER sarà costruito presso il sito europeo prescelto, a

Cadarache nel sud della Francia. A Cadarache esiste già un

grande centro di ricerca per l’energia , del Commissariato per

l’Energia Atomica francese. Il contributo europeo al progetto

ITER sarà gestito da una organizzazione il cui quartier

generale si troverà a Barcellona, Spagna.

ITER è stato progettato in modo da poter essere costruito sul

territorio di uno qualsiasi dei paesi partecipanti. Il progetto

finale del reattore ha definito un elenco di criteri, che ogni

area scelta per l’ubicazione di ITER avrebbe dovuto

soddisfare. 94


ITER è stato progettato in modo da poter essere costruito sul

territorio di uno qualsiasi dei paesi partecipanti. Il progetto

finale del reattore ha definito un elenco di criteri, che ogni

area scelta per l’ubicazione di ITER avrebbe dovuto

soddisfare.

Dopo parecchie discussioni, il sito di Cadarache è stato

selezionato da una lista di quattro possibili siti nel mondo. Il

sito di costruzione copre una superficie totale di circa 40

ettari, con altri 30 ettari disponibili per uso temporaneo

durante la costruzione. I requisiti fondamentali per il sito

ITER comprendevano una capacità di raffreddamento termico

di circa 450 MW e una fornitura di energia elettrica fino a

120 MW.

95


Ubicazione

ITER a Cadarache ( Provenza- Francia)

Ubicazione del complesso di ITER

96

http://it.wikipedia.org/wiki/File:Red_pog.svg

http://it.wikipedia.org/wiki/File:Red_pog.svg


97

Costi dell’Impianto


La costruzione dell’ITER ha avuto inizio e si è programmato

che il primo plasma di ITER si accenderà nel 2016.

http://www.iter.org/

http://www.efda.org/

The European Fusion Development Agreement (EFDA)

http://www.efda.org/usercases/students_and_educators.htm

98




Il costo presunto per la realizzazione dell’ITER era stato

supposto doppio rispetto al costo attuale della produzione di

energia con centrali termiche che utilizzano il petrolio come

combustibile, ma occorre tener conto che la disponibilità di

petrolio è in diminuzione ed è destinata ad esaurire.

Con il passare del tempo i reattori potranno diventare una vera

alternative per soddisfare richiesta di energia elettrica,

attualmente coperta dalle centrali tradizionali termiche.

99


In termini macroscopici nelle centrali a fusione nucleare:

1kg di questo combustibile rilascia 108 kWh di energia e

dovrebbe provvedere alle richieste di una stazione di 1 GW di

potenza elettrica per un giorno.

100


Disponibilità di risorse della fusione

• Il funzionamento di un reattore a fusione richiede una

miscela di combustibile di due isotopi dell’idrogeno:

deuterio (D) e trizio (T)

• 100 mg di miscela Deuterio- Tritio

producono una quantità di energia equivalente

↓

a quella producibile con una 1 tonnellata di carbone.

• Il Deuterio esiste in natura in quantità praticamente

illimitata: un litro d’acqua contiene circa 120 mg di D.

M. Usai 101


• Un reattore a fusione produce come scoria primaria: nuclei di He, un gas “nobile” (poco reattivo, non tossico, esistente nell’atmosfera)

• Le scorie secondarie sono costituite dalle strutture metalliche del reattore che si attivano nel periodo di funzionamento.

Produzione di scorie primarie e secondarie

M. Usai 102


Finalità principale

La finalità principale dello sviluppo di questa tecnologia si può riassumere in queste belle parole:

Con altre sorgenti energetiche, la fusione partecipa allo sforzo che deve permettere di proporre alle generazioni future qualcosa di meglio che una terra svuotata delle sue risorse (principalmente petrolio e carbone) e ingombra dei suoi rifiuti ( CO2 , scorie radioattive, etc..).

Si tratta allo stesso tempo di ragione e giustizia, dato che questo proviene da chi ha consumato senza freno.

J.Waisse, IAEA (2002)

M. Usai 103


Al di là dei bei propositi e delle belle parole lo

Stato Attuale della tecnologia

è schematizzabile nei seguenti punti fondamentali

• La fusione nucleare è realizzabile

• E’ un’energia pulita e disponibile in quantità praticamente illimitata

• E’ di interesse strategico per il mondo e in particolare per l’Italia che ha poche altre risorse energetiche

• Ma i tempi attualmente previsti per i progetti per la sua realizzazione sono troppo lunghi a causa di: – Investimenti insufficienti

– Burocrazia

– Tempi decisionali troppo lunghi

– Pianificazione finalizzata più alla sperimentazione che al raggiungimento di obiettivi concreti.

– Difficoltà di affrontare lo studio nella sua interezza. Il fenomeno della fusione è dovuto a molti fenomeni fisici che avvengono in parallelo con costanti di tempo diverse. Lo sviluppo della ricerca richiede alte competenze che attualmente sono disponibili settorialmente. In altre parole attualmente sono pochi i ricercatori che hanno le competenze necessarie per studiare e valutare la complessità di tutti i fenomeni e in grado di coordinare lo sviluppo della ricerca nella totalità degli aspetti.

M. Usai 104


Al di là dei bei propositi e delle belle parole lo

Stato Attuale della tecnologia

è schematizzabile nei seguenti punti fondamentali

• E’ possibile accelerare i progetti di realizzazione facendo maggiori investimenti, semplificando gli iter burocratici e finalizzando i progetti al raggiungimento di obiettivi concreti in tempi brevi.

• Inoltre gli interessi economici in gioco sono enormi e tanti i paesi interessati e questo complica ulteriormente lo sviluppo.

M. Usai 105

10a_EAIEE_FUSIONE_NUCLEAR

E_TOKAMAK

)

Euratom - CEA (France, Cadarache)

Euratom - CIEMAT (Espagne, Madrid)

Euratom - Confédération Suisse

CRPP-Lausanne Euratom - DCU (Irlande))

DCU- Dublin

UCC -Cork

Euratom - ENEA (Italie)

ENEA-Frascati (FTU)

ENEA-CNR Milano

ENEA-Padoue (RFX)

Euratom - TEC (Groupement d'Association)

- Belgique Ecole Royal Militaire (Bruxelles)

SCK/CEN-Mol

- Pays-Bas FOM

NRG-Petten

- Allemagne FZJ-Jülich (TEXTOR)

Euratom - FZK (Allemagne, Karlsruhe)

Euratom - HAS (Hongrie, Budapest)

RMKI-KFKI-Budapest

KFKI-AEKI-Budapest

Euratom - République Hellénique (Grèce)

NTUA - National Technical University of Athens

Demokritos (Athènes)

The University of Ioannina,

Euratom - IPP (Allemagne, Garching)

Euratom - IPP-Prague (République Tchèque)

Euratom - IST (Portugual, Lisbonne)

Euratom - NASTI (Roumanie, Bucarest)

Euratom - NFR (Suède, Stockholm)

Alvén Laboratory-Stockholm

Chalmers-Göteborg

Euratom - ÖAW (Autriche, Vienne)

Institut für Allgemeine Physik-Vienne

University of Innsbruck,

Österreichisches Forschungszentrum-Seibersdorf,

Technische Universität Graz,

Atominstitut der österreichischen Universitäten-Vienne,

Euratom - RISOE (Danemark, Roskilde)

Euratom - TEKES (Finlande, Helsinki)

Euratom - UKAEA (UK, Culham

Le associazioni EURATOM

M. Usai 106

Italia

http://www.alfvenlab.kth.se/

http://www.fusion.org.uk/

http://www-drfc.cea.fr/index.html

http://www-fusion.ciemat.es/


http://crppwww.epfl.ch/

http://www.physics.dcu.ie/


http://www.ucc.ie/ucc/depts/physics/


http://www.enea.it/

http://www.enea.it/

http://www.frascati.enea.it/FTU/




http://www.enea.it/

http://www.ifp.cnr.it/





http://www.igi.pd.cnr.it/




http://fusion.rma.ac.be/


http://www.sckcen.be/


http://www.rijnh.nl/

http://www.nrg-nl.com/index.html


http://www.kfa-juelich.de/ipp/


http://www.fzk.de/

http://www.fzk.de/

http://www.mta.hu/index.html

http://www.rmki.kfki.hu/




http://www.kfki.hu/~aekihp/




http://www.ntua.gr/depts/

http://www.ntua.gr/depts/

http://www.demokritos.gr/


http://www.uoi.gr/


http://www.ipp.mpg.de/


http://www.cas.cz/

http://www.cas.cz/

http://www.cas.cz/

http://www.cas.cz/

http://www.cfn.ist.utl.pt/

http://www.cas.cz/

http://www.mct.ro/

http://www.mct.ro/

http://www.nfr.se/




http://www.elmagn.chalmers.se/


http://www.oeaw.ac.at/




http://www.rijnh.nl/




http://www.fzk.de/






http://www.cas.cz/


http://www.uoi.gr/


http://www.tu-graz.ac.at/


http://www.mct.ro/



http://www.nfr.se/

http://www.tekes.fi/eng/technology/default.asp

http://www.risoe.dk/euratom/

http://crppwww.epfl.ch/

../../Documents and Settings/Administrator/Desktop/index.html

http://www.cfn.ist.utl.pt/





http://www.iap.tuwien.ac.at/www/index.html

http://www.iap.tuwien.ac.at/www/index.html


http://bozon.uibk.ac.at/plasma/

http://bozon.uibk.ac.at/plasma/

http://www.arcs.ac.at/





http://www.tuwien.ac.at/histu/inst/141.html










Alcuni siti internet di maggiore interesse

• Consorzio RFX


• Joint European torus (JET)

http://www.jet.uk/

• Max planck Institute for plasma physics (IPP)


• ENEA

http://ftu.frascati.enea.it/

• CEA Cadarache

http://www-cad.cea.fr

M. Usai 107


Indirizzi utili

ITER: http://www.iter.org/

EFDA: http://www.efda.org/

JET: http://www.jet.efda.org/

Dr. Rosa Antidormi & Christopher Ibbott

Direzione generale Ricerca

E-mail:

[email protected]

[email protected]

http://ec.europa.eu/research/energy/fu/article_1122_en.htm

Pubblicazione prodotta da:

Commissione europea

Direzione generale Ricerca

E-mail: Research DG contacts

http://ec.europa.eu/research

Unità Informazione e comunicazione

B-1049 Bruxelles

Fax: +32 2 295 82 20

108



http://www.jet.efda.org/

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://ec.europa.eu/research/energy/fu/article_1122_en.htm

http://ec.europa.eu/research/contacts/contacts.cfm

http://ec.europa.eu/research

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