Ricerca e prospettive dellafusione nucleare -Il progetto ITER

Paola Batistoni

Unità Tecnico Scientifica FUSIONEENEA - Frascati

INFN Sezione di Roma – 12 giugno 2006

E’ una reazione nucleare in cui due nuclei leggeri si fondono per dare origine ad un nucleo più pesante con conseguente rilascio di energia. 

• è alla base della formazione deglielementi più pesanti a partiredall’idrogeno

• alimenta il sole e tutte le stelle ed èstudiata nei laboratori di tutto il mondo come fonte di energia

La fusione è la reazione opposta allafissione

fusione

fissione

Che cos’è la fusione nucleare?

• Catena del protone nelle stellemedio piccole (es. sole)

p + p → D + e+ + νe (2 volte)D + p → 3He + γ (2 volte)

3He + 3He → 4He + 2p

• Reazioni di fusione in laboratorio

(D+D)n → 3He + n + 3.27 MeV(D+D)p → T + p + 4.03 MeVD+T → 4He + n +17.6 MeV occorre alta energia cinetica dei 

reagenti per superare la barriera coulombiana

Esempi di reazioni di fusione

• D+T  → α (3.5MeV) + n (14.1 MeV) è favorita 

• Si può ottenere energia da fusione con un plasma DT a     T > 10 – 20 keV

• Il plasma “confinato”permette di utilizzare le alfa  per scaldare il plasma (→ termonucleare)

Si può ottenere energia dalla fusione ?

Pest + Pα = 3nkT/τE

Pest ∼ 0 n T τΕ > ∼1021 m-3 keV s-1 @ T ∼ 20 keV

Quali sono i vantaggi dell’energia da fusione?

• Assenza di produzione di CO2 e di altri gas serra• Sicurezza• Combustibile uniformemente distribuito sulla terra• e praticamente illimitato

n + 6Li → 4He + Tn + 7Li → 4He + T + n’

Litio : molto abbondante nelle rocce, oceani, acque minerali

D + T → 4He + nDeuterio : 1 g in 39 litri di acqua

Trizio: isotopo radioattivo a vita breve (t1/2=12.3 anni) non presente in natura, può essere prodotto in ciclo chiuso nelreattore

110 kg di D e 380 kg di Li all’anno per 1000 MWe

Schema di un reattore a fusione

Come confinare un plasma termonucleare?

Esempio di configurazione toroidale:il Tokamak ( ITER)

Confinamento magneticoSi può evitare il contatto con le paretidel contenitore utilizzando un campo magnetico generato da un solenoidechiuso a forma di toro

Perché un plasma toroidale sia in equilibrio, le linee di campo magnetico devono avvolgersi sulla colonna di plasma ( corrente di plasma, bobine esterne)

Il Tokamak di FrascatiFrascati Tokamak

Upgrade (FTU)

Il plasma di FTU osservato da una finestra orizzontale

R0= 93.5 cm, a= 33 cm, B =  8 T, I = 1.6 MA,

n≤1021 m‐3, T≤15 keV

JOINT EUROPEAN TORUS (JET)la macchina per la fusione più grande al mondo

Record mondiale nel 1997 16 MW di potenza di fusione con un plasma DT (65% della potenza assorbita, E = 21 MJ)

R0 =  2.96 ma = 1.25 m /2.10 mB = 3.45 T, I = 4.8 MAn≤1020 m‐3

T≤20 keV

Come scaldare il plasma fino alla temperatura a cui si innescano le reazioni di fusione ?

Una volta raggiunte le condizioni per la fusione, il plasma si autosostiene

D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14 MeV)

Riscaldamento ohmico: effetto Joule dovuto alla corrente di plasma ( 1-2 keV)

Sistemi addizionali ( ~20 keV)

microonde: assorbimento risonante di onde a radiofrequenza

fasci al alta energia: atomi neutri iniettati nel plasma ad alta energia

La ricerca sulla fusione in Europacoordinata dalla Commissione Europea nell’ambito del trattato EURATOM

La macchina europea JET FTU RFX

La ricerca sulla fusione nel mondo:

•Gli esperimenti di fusione a confinamento magnetico nel mondo

‘70

‘80‘90

A che punto siamo?

Q = Pfusione/Pest

Parità: Q = 1Nel reattore: Q >> 1

JET: Q = 0. 65 (1997)

ITER: Q = 5 - 10

Il prossimo passo: ITER (“la via”)Europa, Giappone, Stati Uniti, Russia, Cina, Corea del Sud, India (Cadarache, EU-F)

DimostrareDimostrare la la fattibilitfattibilitàà fisicafisica di un plasma di un plasma termonuclearetermonucleare, , dimostraredimostrare la la fattibilitfattibilitàà tecnologicatecnologica di un di un reattorereattore a a fusionefusione

R0 = 6.2 m, a = 2 m/3.4 mB = 5.3 T, I = 15 MAn ≈ 1020 m-3, T ≈ 20 keVPotenza di fusione 500 MW

Obiettivi:• Q = 10 per circa 300 s• Q = 5 in stato stazionario

Costo: ≈ 5 B€Costruzione: 2006 – 2015Primo plasma: 2016

Divertore54 moduli

SolenoidecentraleNb3Sn, 6 moduli

MagnetetoroidaleNb3Sn, 18 bobine

Bobine del campo magneticopoloidaleNb-Ti, 6

Modulo di Blanket440 moduli

Vacuum Vessel9 settori

Criostato24 m x 28 m dia.

Port RiscaldamentoGenerazione di correnteDiagnosticheRH

Pompecriogeniche8 unità

Volume di Plasma : 840 m3Schermo biologico

La macchina ITER

Progressi determinanti che hanno portato a ITER

ITER è il risultato del progresso nella comprensionedella dinamica dei plasmi termonucleari

• Controllo e stabilità del plasma • Smaltimento del calore e delle ceneri• Accesso a regimi a basso trasporto di calore

ITER è il risultato di vent’anni di R&S in vari aspetti tecnologici

• Sviluppo di sistemi per il riscaldamento e la generazione di corrente• Sviluppo dei magneti superconduttori di grandi dimensioni• Sviluppo materiali/componenti per alti flussi di calore (10-20 MW/m2)

Il tokamak: non più solo un toroide

• forte shaping delle superfici di flusso magnetico: maggiore stabilità, pressione di plasma e corrente per un dato campo magnetico

maggiore densità di energia e migliore confinamento delle alfa

• superficie limite magnetica (“separatrice”) e piastre di smaltimento (“divertore”) verso le cui fluiscono il calore e le ceneri che escono dal plasma

maggiore purezza del plasma

Controllo e stabilità del plasma, smaltimento del calore e delle ceneri

Modo H (ITER)

• turbolenza ridotta al bordo del plasma

• ben caratterizzato, affidabile e riproducibile (leggi di scala semiempiriche)

Accesso a regimi a basso trasporto di calore

Prototipo della bobina del magnete toroidale di ITER

Prototipi di scambiatori di calore di tipo monoblocco per il divertore di ITER con tegole di tungsteno e di CFC tiles

Sezione del conduttore in Nb3Sn di tipo Cable-in-ConduitConductor (CICC) in scala 1:1 per i magneti di ITER

Elemento di divertore

Aspetti la cui soluzione è rimandata al reattore dimostrativo (programma di R&S parallelo a ITER)

Blanket triziogeno• In ITER non si avràproduzione di Trizio (sarà fornito dall’esterno)

• In ITER saranno provati diversi moduli corrispondenti aconcetti diversi di blanket triziogeni

Materiali • ITER utilizzerà materiali già disponibili (e.g. acciaio AISI-316)

• In parallelo ad ITER, si svilupperanno i materiali per il reattore dimostrativo ed oltre (reattore di potenza)

Effetti dei neutroni sui materiali

I neutroni di fusionesono più veloci (14 MeV) di quelli di fissione (< ~ 2 MeV)

possibili reazioni a più alta soglia energetica

trasmutazioni nucleari,maggiore produzione di H, He (bolle, swelling)

maggiore produzione di difetti reticolari (vacanze, interstiziali......)

Sezioni d’urto neutroniche in 56Fe

Sviluppo di materiali per la fusione:

Acciai speciali EUROFER, F82H:

• attivazione ridotta

• Temperatura di lavoro300-550 °C (infragilimento a bassatemperatura da irraggiamento)

Altri materiali avanzati(SiC):

• attivazione ridotta

• Temperatura di lavoro → 1000 °C

La roadmap della fusione (fast track)

Sorgente di neutroni intensa per i test sui materiali per DEMO / PROTO

International Fusion Materials Irradiation FacilityIFMIF - (EU, JA, US, RF)

ITER DEMO IFMIF-HFTM

Intensità della sorgente (n/s) 2 x 1020 1021 1017

Flusso neutronico (n/cm2/s) 4 x 1014 8 x 1014 4 x 1014 - 1015

Produzione di H (appm/FPY) 445 780 1000 - 2500

Produzione di He (appm/FPY) 114 200 250 - 600

Displacements per atom 3 150 150

H/DPA (appm/dpa) * 44.5 41 35-50

He/DPA (appm/dpa) ** 11.4 10.4 9.5-10.5

* In uno spettro di fissione ~10 , ** In uno spettro di fissione ~ 1

IFMIF

D+

Li flow

Test pieces

Heat exchanger

ECR source

RFQ DTL

Accelerator Target Test CellBeam heat removal with high speed liquid Li flow

Beam footprint on Li target: 20cm wide x 5cm high (1 GW/m2)

Irradiation volumes 0.5L, 1014 n/(s�cm2), >20 dpa/y6L, >1 dpa/y8L, < 1 dpa/y

EM pump

Two accelerators

Deuteron accelerators:

40 MeV - 250 mA (10 MW)

D+ beams

(~1017n/s

ECR source: 155 mA, 95 keV

Two 175 MHz Accelerators: each 125 mA and 40 MeV, acceleration by Radio Frequency Quadrupoles (RFQ) and Drift Tube Linacs (DTL).

Typical reactions:7Li(d,2n)7Be, 6Li(d,n)7Be, 6Li(n,T)4He.

Il ruolo dell’Italia (ENEA, CNR, INFN, Università, industrie)

ITER

• Sistemi di riscaldamento (beam ioni negativi, sistemi microonde)• Diagnostiche (Neutron camera)• Magneti superconduttori • Componenti affacciati al plasma• Altre forniture

Programma di accompagnamento europeo e Broader Approach

• FT3 esperimento tokamak italiano in supporto ad ITER (fisica delle particelle energetiche)• Tokamak satellite (studio degli scenari avanzati) • IFMIF Progettazione e costruzione della sezione a bassa energia di uno dei due acceleratori, progettazione della parte bersaglio• DEMO attività di progettazione del reattore dimostrativo/prototipo (DEMO/PROTO) (breeder blanket, materiali, dati nucleari etc).

La fusione potrebbe svolgere un ruolo importante a partire dalla seconda metà del secolo come fonte di energia

Di fronte alle difficoltà dell’impresa, il fisico russo Artsimovich, padre del tokamak, diceva: La fusione ci sarà quando la società ne avrà bisogno.

Ormai potrebbe non mancare molto, l’importante è essere pronti……

• rispettosa dell’ambiente, sicura, illimitata

• sostenibile (“che soddisfa le necessità delle attuali generazioni senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare le proprie”) (Rapporto Burtland, World Commission on Environment and Development, 1987).