G. Bosia – Introduzione alla Fisica del Plasma Lezione 13 Confinamento magnetico

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Lezione 13Confinamento Magnetico di un Plasma Termonucleare

G. BosiaUniversita’ di Torino

Anno Accademico 2006-2007

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Programma del corso

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

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

Nelle prossime lezioni del corso di Introduzione alla Fisica del Plasma discuteremo qualche aspetto della Fisica di un plasma confinato magneticamente e riscaldato a temperature termonucleari.Le lezioni saranno tenute di norma in Aula magna con orario:

Lunedi 16-18Mercoledi 16-18Giovedi 16-18

A causa di indisponibilita’ dell’ Aula Magna, in data 23 Maggio la lezione sara’ tenuta in aulain data 24 Maggio la lezione sara’ tenuta in aula

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Diapositive elettroniche

Nota : Queste diapositive elettroniche sono da me usate per presentare in un modo conciso e graficamente non troppo pasticciato un sommario degli argomenti delle lezioni. Non intendono essere le dispense del corso, e consiglio gli studenti di prepararsi per l’ esame sui testi di Fisica consigliati, dove la materia è trattata in modo piu’ ampio e sistematico.

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

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

G.B

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Programma del corso

Il corso si propone di fornire agli studenti una breve introduzione :

• alla fisica di plasmi confinati mediante campi magnetici esterni, con caratteristiche fisiche rilevanti per la produzione di energia per fusione termonucleare.

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

• qualche nozione sulla propagazione di onde elettromagnetiche nel plasma,

• a cenni sulle tecnologie utilizzate in un reattore a fusione

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Programma corso

Nel preparare queste lezioni ho prelevato materiale da diversi testi

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

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

J.Wesson “Tokamaks ” Oxford Science Publications

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

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

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Contatti

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

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

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

Che ha questo aspetto :

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Scienze Naturali 02-Mar-2006 11:30 -

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Introduzione

Nelle lezioni precedenti sono state discusse le proprietà cinetiche e elettriche di un plasma ne sono state definite le equazioni di stato

E’ stato discusso in quali condizioni un gas ionizzato soddisfa alle condizioni di plasma ed alcune proprietà elementari, quali la quasi neutralità, e il comportamento dinamico “collettivo”.

Sono state definite le relazioni fra parametri macroscopici del plasma come la densità e temperatura e parametri microscopici medi (quale l’ energia cinetica media) delle componenti del plasma

Per studiare le proprietà statiche e dinamiche di un plasma si sono ricavate le equazioni cinetiche (Boltzmann), in cui la dinamica delle particelle e’ descritta statisticamente da una funzione di distribuzione in sette dimensioni (spazio reale, spazio delle velocità e tempo) e le forze in gioco sono quelle prodotte dai campi elettromagnetici prodotti dal moto delle cariche stesse.

Per semplificare la risoluzione dei problemi, dalle equazioni cinetiche si e’ passati alle equazioni fluide, ottenute integrando le equazioni cinetiche nello spazio delle velocità e pertanto riducendo il numero delle variabili alle coordinate dello spazio reale e al tempo (4) In queste, il plasma e’ descritto come un miscuglio di fluidi conduttori, immersi in campi elettro magnetici (magneto-idrodinamica).

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Introduzione

Sulla base delle equazioni MHD sono state studiate le proprietà generali di un plasma quali il fenomeno di diffusione magnetica, il congelamento delle linee di flusso fenomeni ondulatori quali le onde di Alfvèn.

In questa seconda parte del corso utilizzeremo questi concetti per studiare un caso particolare di plasma : un plasma termo-nucleare confinato magneticamente.

L’applicazione pratica alla base di questo ramo della fisica e’ lo sviluppo di un metodo di produzione di energia mediante il processo di fusione nucleare (reattore a fusione) mediante confinamento magnetico.

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Plasma Plasma termotermo -- nuclearenucleare

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Metodi di produzione di energia nucleare

D

THe

n

Fusion

Z

Mas

s pe

r nu

cleo

n

n

Un

Fission

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

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Sezioni d’ urto di fissione e fusione

Fusion

Fission

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

Per ottenere energia di fusione :

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• D + D

• D + 3He• D + T

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

• D + T

• D + T -> 4He + n + ∆E

n + 6Li -> 4He + T

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

Reazioni di fusione

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Confinamento magnetico

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

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Funzionamento di una macchina a confinamento magnet ico

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

Prima di aumentarne sensibilmente la temperatura del plasma e’ necessario isolare termicamente il plasma da ogni corpo solido a temperatura ambiente, per evitare che scambi termici che ridurrebbero la temperature del plasma e danneggerebbero il contenitore

Lo si fa, creando una struttura magnetica che confina le particelle del plasma in un volume interno al contenitore in modo da limitare al massimo gli scambi termici (confinamento) .

I campi magnetici sono prodotti da elettromagneti supra conduttori operanti alla temperatura di elio liquido Sono state studiate ed utilizzate diverse strutture magnetiche a topologia lineare e toroidale. Le seconde hanno mostrato una migliore efficienza di confinamento e sono praticamente le sole utilizzata al presente.

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Confinamento Magnetico

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

-> confinamento in geometria lineare

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

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

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

Confinamento magnetico La proprieta’ di particelle cariche di percorrere cammini elicoidali attorno alle linee di forza di un campo magnetico e’ alla base dei metodi di confinamentomagnetico di un plasma termonucleare. Il campo magnetico limita il numero di gradi di liberta’del moto ad uno solo: nella direzione delle linee di forza. Due metodi sono utilizzati per il confinamento assiale:

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Confinamento magnetico toroidale

Confinamento tipo Tokamak Confinamento ti po Stellarator

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Componenti di un sistema TokamakJET: il Tokamak Europeo

plasma volume

magn. field.

plasma current

• 60 m3

• up to 4 T

• up to 5 MA

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Un ottante del JET durante il montaggio

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Interno del JET con e senza plasma

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Energia di fusione prodotta in dispositivi sperimentali

in a D-T plasma,

with 20 MW input power into the plasma

τE

16 MW

total output : max 16 MW

(Q = 0.8) ma non auto sostenuta !

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Quanto siamo distanti da un reattore a fusione?

Q = fusion power out ext. power in

T

n ττττE

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

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AUG JET

ITER

Dimensioni di un reattore dalle leggi di scala

≈30 years

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2.5%, 0.7ββββT, ββββP

10Q (Pfus /Pin )

80+Pαααα (MW)

40-90Paux (MW)

0.5, 1.85δδδδ,κκκκ

5.3B t (T)

15(17)IP (MA)

850VP (m3)

2a (m)

6.2R (m)

ITER

estimated cost : 4 000 Million Euro

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

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SchemaSchema didi funzionamentofunzionamento didi un un reattorereattore a a fusionefusione

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Disponibilità di risorse energetiche per la fusioneDisponibilità di risorse energetiche per la fusione

• Il funzionamento di un reattore a fusione richiede una miscela di combustibile 50/50%di due isotopi dell’idrogeno : deuterio (D) e trizio (T)

• 100 mg di miscela DT producono un output energetico equivalente ad 1 tonnellata di carbone

• Il Deuterio esiste in natura in quantità praticamente illimitata: un litro d’acqua contiene circa 120 mg di D,

• D e’ contenuto nell’acqua del mare ed e’ quindi accessibile globalmente. Non esiste pertanto la distinzione tra paesi produttori e consumatori

• Il Trizio non esiste in natura perché decade con vita media di circa 12 anni. Si può tuttavia generare con una reazione con il Litio, metallo comune e poco usato, E’ previsto produrre il trizio a ciclo chiuso come parte del funzionamento del reattore a fusione

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• Un reattore a fusione produce come unica 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

Les Déchets(2) Résultats

" On peut voir que la plupart des matériaux (et peut être tous) pourront être soit déclassés soit recyclés, en laissant peu (et peutnécessitant un stockage permanent. "

Rapport EFDA SEIF 2001

Radioactivité relative(ingestion)

Produzione di scorie primarie e secondarieProduzione di scorie primarie e secondarie

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Sicurezza

Un aspetto essenziale del funzionamento di un sistema di produzione di energia e’ la sua sicurezza.

La sicurezza dell’impianto e’ legata alla possibilità che eventi catastrofici nell’ impianto di produzione energetica possano arrecare danni a persone o cose circostanti dipende strettamente dalla quantità di energia che e’ necessario immagazzinar e per alimentare il funzionamento in regime stazionario dell’ impianto

In un impianto idroelettrico una grande quantità di energia meccanica e’ immagazzinata nellosbarramento idrico che alimenta l’impianto.

In impianti termici il combustibile o stoccato in depositi di combustibile dislocati a qualche distanza dal sito dove l’ energia e’ prodotta

In un reattore a fissione una grande quantità di energia (barre di combustibile), potenzialmente in grado di provocare un danneggiamento del sistema di contenimento del materiale nucleare, e’ stoccata nell’ impianto di produzione e rilasciata “moderando” il flusso neutronico mediante assorbitori. In caso di incidente il materiale fissile immagazzinato può’ danneggiare il sistema di contenimento del reattore e disperdersi nell’ atmosfera.

In un reattore a fusione il combustibile consumato in regime stazionario e’ circa un grammo di miscela D-T , largamente insufficiente a causare danni “catastrofici al contenitore dell’ impianto. Un reattore a fusione e’ pertanto intrinsecamente sicuro .