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La ricerca sulla fusione a Padova

Impianto dell’iniettore di fasci di neutri NBTFin costruzione

L a ricerca nel campo energetico ha un ruolo fondamentale nella crescita e nella prosperità sostenibile di ogni società.

Le conoscenze acquisite nel campo della ricerca sulla fusione aprono la strada alla realizzazione di future centrali.

La fusione potrà garantire un approvigionamento di energia privo di emissioni ad effetto serra, affidabile e a lungo termine.

Inizialmente, la ricerca sulla fusione era prevalentemente orientata alla conoscenza dei fenom-eni fisici e della tecnologia, senza particolare impegno di risorse. Negli anni a seguire tale

approccio è radicalmente cambiato in quanto è sempre più urgente il bisogno di disporre di una fonte energetica che risponda ai requisiti di sostenibilità ambientale, tecnologica e sociale

Una prospettiva a lungo termine sulla fusione è obbligatoria in quanto le aspettative su tale fonte di energia sostenibile e sicura sono cresciute sempre più negli ultimi anni. Con questo obiettivo EFDA ha elaborato una “Roadmap to the realisation of fusion energy”, una tabella di marcia per arrivare ad immettere energia elettrica da fusione in rete entro i primi anni del 2040.

ITER è la struttura chiave in questa tabella di marcia: la costruzione di ITER favor-irà l’innovazione industriale su una serie di tecnologie cruciali per la fusione e non solo. Il suo completamento, la sperimentazione che ne conseguirà e la gestione di tale organizzazione saranno tappe fondamentali verso la centrale elettrica a fu-sione. Ecco perchè il successo ITER è il più importante obiettivo generale di tutto il programma.

2006 - Dal programma europeo ad una collaborazione mondiale

Roadmap verso l’elettricità da fusione

2006 - Dal programma europeo ad una collaborazione mondiale

Perchè questo accada è necessario affrontare una serie di sfide tecniche e scientifiche. Per ciascuna sono state sviluppate diverse soluzioni e l’obiettivo del programma è di sperimentarle e dimostrare quali funzioneranno anche in un reattore a fusione. Otto diverse missioni sono state definite nella Roadmap. Saranno affrontate da Università, labora-tori di ricerca e industrie attraverso un programma mirato. Questo sforzo non sarà perseguito solo a livello europeo: tutte le opportunità di collaborazioni internazionali verranno valutate e sfruttate.

Con la firma dell’accordo internazionale tra Europa, Giappone, Russia, Stati Uniti d’America, Cina, Repubblica di Corea e India, nel 2006 è stata avviata a Cadarache, nel sud della Francia, la costruzione di ITER. In particolare la Roadmap prevede, nei primi dieci anni di sperimentazione su ITER, di mettere a punto gli scenari operativi del reattore dimostrativo DEMO.

A questo scopo, parte dell’attività di ricerca e sviluppo sarà realizzata su esperimenti satellite come JET, ASDEX-UG, JT-60SA.

In parallelo, grazie anche al laboratorio IFMIF, si studieranno i materiali capaci di soddisfare alle richieste tecniche per l’uso nelle future centrali a fusione.

Parametri Principali

potenza da fusione 500 MW amplificazione di potenza 5-10 raggio maggiore del plasma 6,2 m raggio minore del plasma 2 m volume del plasma 840 m3

corrente del plasma 15 MA campo toroidale sull’asse 5,3 T

Il reattore sperimentale ITER

Numerosi e complessi sono i fenomeni che caratteriz-zano il comportamento dei plasmi da fusione, confinati

tramite campi magnetici.

La macchina RFX è un esperimento da fusione a confina-mento magnetico di medie dimensioni, realizzata per studi-are tale comportamento e ridurre i meccanismi che destabi-lizzano il plasma. RFX può funzionare sia in configurazione Reversed Field Pinch che in configurazione Tokamak.

L‘esperimento RFX è entrato in funzione nel 1992. I risultati ottenuti hanno portato a nuove conoscenze e a continui miglioramenti dell’impianto che è stato profonda-mente modificato tra il 1999 e il 2004, in particolare con l’installazione di un sistema di controllo del plasma compos-to da 192 bobine indipendenti..

La sperimentazione sulla macchina modificata (RFX-mod) è ripresa nel 2004. I risultati confermano che le scelte effet-tuate garantiscono un miglior controllo della configurazione magnetica ed, in ultima istanza, un aumento della temper-atura del plasma.

Consorzio RFX

Principali parametri progettuali Parametri ottenuti

Raggio maggiore 2 m Raggio minore 0.5 mMax corrente di plasma 2 MA Max corrente di plasma 2 MA Durata dell’impulso 250 ms Durata dell’impulso >0.5 sTemperatura elettronica 1 keV Temperatura elettronica >1.2 keVPotenza installata 400 MVA

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri

- Attività di accompagnamento al Progetto ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

settoridiattività

Obiettivo principale della ricerca con l’esperimento RFX è migliorare il controllo delle instabilità di plasma in regimi ad

elevata corrente.

Il miglioramento del confinamento, cioè della capacità del plasma di trattenere il calore prodotto dalla corrente, richiede la comp-rensione dei meccanismi che regolano il trasporto del calore e di materia.

Per questo RFX è equipaggiato con sistemi diagnostici per la misura delle proprietà del plasma, quali ad esempio il cam-po magnetico, la temperatura ionica ed elettronica, la densità, l’emissione di raggi X, la presenza di impurezze.

Gli esperimenti vengono svolti con plasmi di Idrogeno, Deuterio o Elio; la pressione iniziale è pari a 1 milionesimo di quella atmos-ferica (10-3 mbar pari a circa 1 mg di idrogeno in 8 metri cubi).

L’ottimizzazione dell’esperimento ha permesso di effettuare prove con corrente di plasma elevata, fino a 2 milioni di Ampere (2 MA) raggiungendo temperature elettroniche superiori ai 12 milioni di gradi (1.2 keV).

L’attività sperimentale, la modellizzazione e l’interpretazione dei risultati permettono di capire i fenomeni che avvengono nel plas-ma e indicano gli sviluppi e le modalità operative da applicare per migliorare le performance del plasma.

Al Consorzio RFX l’attività di ricerca di fisica è integrata con quella di ingegneria, per lo sviluppo della tecnologia elettrica e delle alimentazioni, dell’analisi e progettazione termomeccanica e strut-turale, dei sistemi di controllo in tempo reale e, più in generale, della realizzazione e messa in funzione di grandi impianti sperimen-tali.

Tra i risultati piu’ rilevanti ottenuti recentemente da RFX-mod, l’evidenza sperimentale di un nuovo stato di equilibrio elicoidale ha ottenuto la pubblicazione su Nature Physics e uno spazio spe-ciale sulla copertina della rivista (N.8, Agosto 2009). Il raggiugi-mento di questa configurazione è stato possible grazie al sistema per il controllo delle instabilità magnetiche, che agisce sul plas-ma attraverso 192 (48x4) bobine controllate indipendentemente. Questo sistema è stato il primo a copertura totale operante su un esperimento per la fusione.

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri

- Attività di accompagnamento al Progetto ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

Consorzio RFX

settoridiattività

Copertina di Nature Physics con in evidenza la struttura elicoidale del plasma scoperta su RFX-mod

Iniettore di fasci di neutri (NBI)

Neutralizzatore

SorgenteAcceleratore

Separatore

Calorimetro

In ITER il plasma di deuterio e trizio, confinato da inten-si campi magnetici, verrà riscaldato da sistemi a radi-

ofrequenza e da fasci di atomi neutri raggiungendo così le condizioni ottimali per ottenere i processi da fusione. Il progetto ITER prevede che la potenza da fusione prodotta superi quella immessa nel sistema dall’esterno di un fat-tore 10.

Il riscaldamento mediante fasci di neutri sarà realizzato tramite 3 iniettori che dovranno fornire al plasma comples-sivamente fino a 50 MW di potenza.

Ciascun iniettore è composto da una sorgente di ioni negativi (deuterio), un acceleratore elettrostatico, un neutralizzatore, un separatore di ioni residui e infine un calorimetro.

L’acceleratore dovrà lavorare a 1 MV di tensione con una corrente alle griglie fino a 40 A (16 A di fascio) con impulsi di durata fino a un’ora.

Per sviluppare e provare gli iniettori da installare su ITER, verrà realizzato a Padova un laboratorio (Neutral Beam Test Facility - NBTF) idoneo a ospitare il prototipo e suc-cessivi perfezionamenti (detto MITICA). La costruzione di NBTF è iniziata a giugno 2013.

La realizzazione dell’impianto dovrà essere completata nei tempi definiti dal progetto ITER.

Padova, con le competenze presenti presso il laboratorio del Consorzio RFX, l’Università e l’INFN di Legnaro, sarà in grado di fornire le infrastrutture e le competenze neces-sarie per ospitare l’impianto e realizzare e mettere in funzi-one l’iniettore, con la collaborazione dei laboratori europei di Culham (UK), di Garching (Germania), di Cadarache (Francia), di Naka (Giappone) e di Bhat (India).

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri- Attività di accompagnamento a ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

Consorzio RFX

settoridiattività

Alcuni dati

65.000 m2 area CNR, compresi gli edifici di RFX

20 M€ investimenti italiani200 M€ investimenti europei

dai 5 ai 6 anni per la costruzione

La sperimentazione e ulteriori sviluppi proseguiranno durante la vita di ITER ed oltre

Nell’ambito del progetto ITER, l’Unione Europea e il Giappone hanno siglato un accordo denominato

“Broader Approach”. Esso riguarda la cooperazione UE-Giappone su tre grandi progetti di ricerca: STP, IFMIF e IFERC (per maggiori dettagli si rimanda al link: http://fusionforenergy.

europa.eu/understandingfusion/broaderapproach.aspx).

L’Italia partecipa a due dei tre progetti.

Il Satellite Tokamak Programme (STP), è un programma per la costruzione e operazione di un tokamak supercon-duttore di grandi dimensioni, satellite di ITER (JT-60SA).

Il CNR tramite il Consorzio RFX, partecipa alla realizzazi-one di due sistemi delle alimentazioni elettriche: il sistema di protezione dei magneti superconduttori e il sistema di alimentazioni per il controllo veloce della configurazione magnetica. L’investimento previsto è pari a circa 15 M€.

Un secondo programma prevede il completamento del progetto ingegneristico e lo sviluppo e prova dei compo-nenti principali dell’impianto IFMIF (International Fusion Material Facility).

I laboratori dell’INFN di Legnaro saranno impegnati nella realizzazione dell’acceleratore quadrupolo a radio frequen-za, grazie alle loro competenze in questo settore.L’investimento previsto è pari a circa 25 M€.

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri

- Attività di accompagnamento al Progetto ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

settoridiattività

Consorzio RFX

IFMIF

Nelle centrali a fusione servono materiali idonei a consentire un’adeguata durata dell’impianto e con decadimento della radioattività in tempi minori di 100 anni.

IFMIF è progettato per eseguire prove di resistenza al flusso neutronico sui mate-riali che verranno utilizzati nella fusione e selezionare così quelli più idonei per i diversi componenti della centrale..

Il componente principale dell’impianto è un acceleratore capace di produrre un intenso flusso di neutroni con spettro di energia simile a quello della fusione.

JT-60SA

Un tokamak superconduttore simile ad ITER, ma di dimensioni più ridotte; verrà utilizzato per eseguire prove prelimirnari e per definire meglio gli scenari opera-tivi già identificati in altri esperi-menti di taglia inferiore.

Quadrupolo a radio frequenza

Broader Approach

Deposizione industriale di pellicole e trattamento di superfici

Conversione di potenza

Nello svolgimento delle attività di ricerca, si è sempre tenuto conto, oltre che delle realizzazioni a carattere scientifico, anche di sviluppi tecnologici che da esse derivano.

Alcuni esempi di ricadute in campo industriale sono:

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri

- Attività di accompagnamento al Progetto ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

Consorzio RFX

settoridiattività

Alimentazioni Elettriche

Il sistema di Magnetron sputteringper processi industriali con il plasma

Applicazioni biologiche, biomedichee trattamento fine di superfici

Propulsione spaziale

Esempi di ricadute industriali

Un ago al plasma a bassa potenza

a pressione atmosferica

Propulsore magnetoplasmadinamico (MPD) ad elevanta spinta

per la propulsione spaziale

I ricercatori del Consorzio e degli enti consorziati si dedi-cano alle attività di formazione, in collaborazione con

l’Università.

Presso il Consorzio, vengono seguiti laureandi in Ingegne-ria e Fisica per la preparazione della loro tesi.

Ricercatori del Consorzio, da molti anni, svolgono attività di docenza per corsi inerenti la Fisica e l’Ingegneria dei Plasmi e la Tecnologia della Fusione e per corsi di dot-torato in Fisica, Energetica e Ingegneria Elettrotecnica.

Dal 2008, è attivo il primo Dottorato Europeo congiunto in Scienza e Ingegneria della Fusione, con la partecipazione del Lisbon Instituto Superior Tecnico (Portogallo). E’ pre-visto che altre università si aggreghino nei prossimi anni.

Parallelamente è attivo anche il “Network europeo con-giunto a livello di dottorato in Scienza e Ingegneria della Fusione”, con la partecipazione della Ludwig Maximilian University di Monaco di Baviera (Germania) e del Lisbon Instituto Superior Tecnico (Portogallo).

Il dottorato europeo è iniziato nell' anno accademico 2007/2008.

Ogni anno sono presenti al Consorzio RFX circa 30 stu-denti tra laurendi e dottorandi.

Per informazioni: http://www.igi.cnr.it.

Progetto RFX

Ricerca sulla fisica dei plasmi

Partecipazione al Progetto ITER

- Iniettore di fasci di neutri

- Attività di accompagnamento al Progetto ITER

Innovazione e trasferimento tecnologico

Formazione

Consorzio RFX

settoridiattività

Le competenze del gruppo di Padova si sono nel tempo sviluppate nei seguenti settori:

Fisica dei plasmi da fuisione in regimi con corrente elevataTeoria e modellizzazione dei plasmi RFP e tokamakControllo dei modi magnetoidrodinamiciDiagnostiche per plasmi termonucleariIniettori di neutri per il riscaldamento del plasma

Tecnologie elettriche e alimentazioni per esperimenti di fusione Controllo in tempo realeRealizzazione e operazione di impianti sperimentali di grandi dimensioni Aanalisi e progettazione strutturale e ter-momeccanica

Nel Consorzio operano160 persone:

100 ricercatori60 tecnici ed amministrativi

Competenze del consorzio RFX

Padova, con il Consorzio RFX, contribuisce al programma di ricerche europeo sulla fusione con un proprio laboratorio, per ricerca e sviluppo sulla fisica e tecnologia della fusione, e l’esperimento RFX. Partecipa al progetto ITER in particolare con la realizzazione a Padova dell’impianto dell’iniettore di fasci di neutri e con le attività dell’ITER Broader Approach.

Il Consorzio RFX è costituito da ENEA, CNR, Università degli Studi di Padova, INFN, Acciaierie Venete S.p.A.

L’ENEA è l’Ente nazionale che coordina tutte le attività italiane di ricerca sulla fusione. Il CNR con i centri di Milano e Padova è da sempre impegnato in questo settore di ricerca; a Padova, con l’Istituto Gas Ionizzzati (IGI), è divenuto negli anni una realtà scientifica consolidata, con la partecipazione dell’Università di Padova attraverso i dipartimenti di Ingegneria Elettrotec-nica, Elettronica ed Informatica, Fisica ed altri. L’INFN, più recentemente, si è inserito in questo contesto apportando le proprie competenze nel campo degli acceleratori.

Una struttura dinamica che consente di svolgere un ruolo di primo piano nell’attività di ricerca sulla fusione internazionale.

1959 1970(Eta Beta I)

1980(Eta Beta II)

dal 1992(la macchina RFX)