L'Energia dalla Fusione Nucleare, ITER - NIF

R. Kersevan - L'energia dalla fusione nucleare - Udine - 22 Ottobre 20101

Programma:
- Introduzione
- Struttura atomica
- Fissione e fusione
- Quale fusione?
- ITER
- A che cosa serve ITER?
- Stato attuale e programmi di
studio, presenti e futuri

Introduzione
• L’umanita’ si trova ad un punto in cui la crescita
demografica dei paesi in via di sviluppo e i consumi
crescenti dei paesi ricchi si scontrano con l’arrivo del
“picco del petrolio”, a cui seguiranno a breve quelli del
carbone, gas, petrolio non convenzionale, uranio, etc…
• Per lo stesso motivo, si parla di “rinascita del
nucleare” (convenzionale, a fissione), che tanto ha
marcato e marca ancora --a torto o a ragione--
l’opinione pubblica mondiale, specialmente dopo gli
incidenti di Three Mile Island e di Chernobyl
• Alla luce di questo, la fusione nucleare si prefigge di
generare grandi quantita’ di energia pulita utilizzando
delle risorse non rinnovabili ma presenti sulla terra in
quantita’ pressoche’ infinite, nel contempo evitando di
produrre “scorie” radioattive a lunga durata
"Given the nature and magnitude of the challenge, national action alone is
insufficient. No nation can address this challenge on its own. No region can
insulate itself from these climate changes."
Ban Ki-Moon, Secretary-General of the United Nations, in his opening address
to the High-Level Event on Climate Change, 24 September, 2007.
“Out of every 100 persons added to the
population in the coming decade, 97 will
live in developing countries."

Introduzione
• ITER e’ un progetto che vuole capitalizzare i decenni
di esperienza accumulata dalla comunita’ scientifica
internazionale su decine di “macchine a fusione
nucleare”
• ITER e’ nato negli anni ’80, ed e’ passato per almeno
due fasi: la prima, con 4 partners (USA, Europa,
Russia e Giappone), che ha portato alla realizzazione di
uno studio e del progetto di una macchina che alla fine
fu giudicata troppo ambiziosa, grande e costosa
• Il risultato e’ stato il ritiro dal progetto di uno dei
partner (USA). I rimanenti hanno continuato a
lavorare su un progetto “in scala ridotta”, che ha
portato alla macchina in costruzione oggi a Cadarache
(Francia)

Introduzione
Qual’e’ il carburante della fusione?
Carburante “grezzo”: acqua e Litio*
Litio nella batteria di un PC portatile + 1/3 vasca d’acqua (->pochi cm3
di acqua
pesante)  200,000 kWh
= attuale consumo pro-capite di elettricita’ in Italia per 37 anni (5400 kWh nel
2008)
* Deuterio/idrogeno = 1/6700
+ (trizio da: neutrone (dalla fusione)) + litio → trizio + elio

Introduzione
• Lo scopo finale e’ di arrivare a “Q=10”, cioe’ produrre
un plasma stabile di deuterio-trizio che fornisca
(almeno) 10 volte l’energia utilizzata per “confinarlo”
e scaldarlo
• Si stima in 50 MW la potenza da fornire, e ci si
attende almeno 500 MW in “uscita” (Q=Pout/Pin)
• Non e’ previsto di produrre energia elettrica con
ITER, solo di dimostrare la fattibilita’ della fusione a
Q=10
• La produzione di energia elettrica da fusione verra’
eventualmente fatta da DEMO, il successore di ITER
che e’ gia’ sotto studio da parte di molti laboratori

Introduzione
• Il progetto ITER fa parte di un “broader agreement”, un
accordo allargato, che prevede la costruzione di una
installazione per lo studio di materiali avanzati, utilizzabili
per la fusione (IFMIF, “International Fusion Materials
Irradiation Facility”), un acceleratore di particelle capace
di creare copiosi fasci di neutroni che simuleranno i
neutroni della fusione nucleare
• IFMIF e’, al momento, nella fase “EVEDA”, in attesa della
decisione di un sito e dei finanziamenti (EVEDA=
“Engineering Validation Engineering Design Activities”)
• L’accordo prevede anche la costruzione di un reattore a
fusione “gemello” (ma di taglia piu’ piccola), JT-60SA
• In aggiunta a cio’, il centro di ricerca IFERC é pure in corso
di messa in opera, “International Fusion Energy Research
Center”.
• IFMIF(EVEDA), JT60-SA e IFERC sono collaborazioni
internazionali localizzate in Giappone

Introduzione
• IFMIF (Collaborazione internazionale: Italia: EURATOM,
INFN, ENEA)

Introduzione• JT-60SA
Integrated Project Team Leader: Pietro Barabaschi
In corso di costruzione (Naka, Giappone)

Introduzione
• IFERC
Centro per lo studio di concetti avanzati di energia da
fusione nucleare: progetto di DEMO, simulazioni avanzate
al computer, operazione remota di ITER, etc…

Introduzione• ITER: un po’ di storia:
• Summit di Ginevra, 1985
• … segue un accordo a 4:
USA, EU, Russia, Giappone
… problemi vari…
USA, Canada: lasciano ITER… …
ri-progettazione di ITER (ITER-FEAT)
..
Cina, India, Corea del Sud
esprimono il loro interesse…
• Stallo: Braccio di ferro Giappone/Francia?
28 Giu 2005 (Mosca): Francia!
• Accordo finale, 21 Nov 2006
Ratifica dell’accordo
finale: 24 Ott 2007

Struttura Atomica
Numero di Avogadro (mole): 6,022x
1023
E’ l’esponente che conta!_
Esempio.: Un litro d’aria a livello del mare:
~2,7x
1022
molecole!Modello di Bohr (inesatto!)
Dei primi 82 elementi, 80 sono stabili (Tc43
,
Pm61
instabili), tutti gli altri instabili

Energia di legame per nucleone in funzione del numero di massa A, per i
nuclei piu’ stabili. Scala logaritmica da A=1 a 50 , e lineare da A=50 a 250

Reazioni Nucleari: Quali Elementi?

Produzione di energia nucleare
Fissione nucleare
Es.: un nucleo di U-235 (92 protoni
e 143 neutroni) colpito da un
neutrone subisce un
decadimento nucleare e si
divide in piu’ parti

Produzione di energia nucleare (fissione)
Fissione naturale: fenomeno raro al giorno
d’oggi.
Circa 1,7 miliardi di anni fa, in particolari
condizioni geologiche, si e’ sviluppato un
reattore nucleare naturale a Oklo,
Gabon
Concentrazione di U-235:
oggi ~0,7%, allora ~3%

Fusione Nucleare:
Nelle Stelle, Confinamento Gravitazionale
Sole: massa ~2x1030
kg (7,17x1057
p)
• reazione protone-protone (~ 98,3%)
• probabilita’ di reazione molto bassa
(interazione debole, meno male!)
• Frequenza eventi: 9,2x1037
s-1
• 6,2x1011
kg (3,7x1038
p -> alfa)
• 4,26 milioni tonnellate (0,7%)
trasformate in energia ogni secondo,
tramite E = Δmc2
( ~ 92 miliardi di
Mt TNT = 3,86x1026
W)
Δm = difetto di massa fra i 4 p e la
particella alfa
~109
anni
~1 sec
~106
anni
α

Fusione Nucleare Nelle Stelle:
Confinamento Gravitazionale
• Nucleo: 2% volume, ~50%
massa totale
• Temperatura nucleo: ~15,7
milioni di gradi
• densita’ nucleo: ~150 g/cm3
(media=1,41 g/cm3
)
• Pressione nucleo: 340
miliardi di atmosfere
• Potenza specifica: 275 W/m3
• i fotoni emessi impiegano
in media 170 mila anni
prima di raggiungere la
fotosfera, dopo una media
di 1025
urti! α
1. Core
2. Radiative zone
3. Convective zone
4. Photosphere
5. Chromosphere
6. Corona
7. Sunspot
8. Granules
9. Prominence

Fusione Nucleare Nelle Stelle:
Confinamento Gravitazionale (2)
Stelle piu’ pesanti del sole:
• Ciclo di reazione C-N-O
• ~1,7% dell’energia totale
nel sole
• Temperature: >18 milioni
di gradi
• Altri cicli esistono, p. es.
O-F

Fusione Nucleare: Reazioni Possibili
D = deuterio (2
1H)
T = trizio (3
1H)
Unita’ uso comune:
1 eV = 11604,5 ºK
1 MeV = 1,6x10
-13
J
= 11,6x10
6
ºK

Fusione Nucleare: Reazioni Possibili
D = deuterio (2
1H)
T = trizio (3
1H)
In pratica, in ITER: meno di 1
W/cm3
di potenza specifica!
Sono necessari grandi volumi
(>1000 m3
-> ~ 1 GWth)

Trizio: Che Cos’e’? Quanto ce n’e’?
T = trizio (3
1H)
Produzione naturale:
bombardamento dei raggi
cosmici nell’alta atmosfera
Produzione artificiale:
• reattori a fissione
• esplosioni termonucleari in
atmosfera (anni 50-60)
0,1-1,3 T/cm2
/s
Totale ~2,65 kg
qualche kg/anno
~ 500-1000 kg

Trizio: Che Cos’e’?
(3
1H) Isotopo instabile (decadimento β, E. Fermi):
Tempo dimezzamento 4501 giorni (12,32 anni)
Bosone W-
, C. Rubbia

• Una delle forme in cui si puo’ trovare la
materia
• Sostanza simile a un gas che sia stato
almeno in parte ionizzato
• Es.: aurore boreali, fulmini, lampade al
plasma, televisori al plasma,… e ITER!
Plasma: Che Cos’e’?

Fusione Nucleare in Laboratorio: Come
riprodurla?
• “Confinamento inerziale” (Laser, fasci di
particelle,…)
• “Confinamento magnetico” (ITER)
• “Fredda” (sarebbe bello se
funzionasse…)
• “Catalizzata da muoni” (non pratica…)
• … altri modi…

Fusione Nucleare in Laboratorio
• Confinamento inerziale (Laser, fasci di particelle,…)
• Principio: focalizzare molti (centinaia di) fasci laser su un
bersaglio costituito di una miscela deuterio-trizio (D-T)
• Es.: NIF, National Ignition Facility (Livermore Laboratory, USA)
• 192 fasci laser, durata 3,6 nanosecondi, 1,8MJ ( = 500 TW !!)

Fusione Nucleare in Laboratorio
Confinamento magnetico (ITER)
Ricetta della nonna:
Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); qualche
centinaio di scienziati, ingegneri, e tecnici di piu’ di 40
paesi diversi; ~50 MW di potenza elettrica
• Pompare (vuotare) un volume di forma toroidale di circa 1000 m3
;
• Accendere dei magneti molto potenti;
• Iniettare una miscela di D2 e T2 nella camera a vuoto;
• Ionizzare le molecole di D2 e T2, e trasformarle in un plasma di D+
e T+
, piu’ una nuvola di
elettroni;
• Riscaldare il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);
• Quando “il termometro” indica la temperatura di ~150 milioni di gradi, misurare il flusso di
neutroni di fusione; Quando indica xx neutroni/cm2
… (500 MW di energia!)…
• … stappare una bottiglia di champagne e gridare “Evviva!”
Tempo necessario: da 13 a 18 anni (costruzione, messa in funzione, “first plasma” (H2, He), D-T,)
(*) “Tokamak”:
dal russo “тороидальная камера с магнитными катушками”
= “toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami “
= “camera a vuoto toroidale con bobine magnetiche”
I tokamak sono stati inventati negli anni ‘50 dai fisici sovietici Igor Tamm and Andrei Sakharov
ispirati da un’idea originale di Oleg Lavrentyev
Primo tokamak: “T1”, Istituto Kurchatov, Mosca
Anno: 1968

Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); un migliaio di ingegneri,
e tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica
;
Pompe (8 in totale)
Sezione di una criopompa: verde (schermo termico,
80 K); blu (criopannelli, 4,5 K); velocita’ pompaggio
circa 50 mila litri/sec

e tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica; acqua q.b.
;
Materiale: acciaio inox (IG); spessore 60 mm; doppia
parete; raffreddata/riscaldata con acqua sotto
pressione a 100-300 ºC, 11 atmosfere;
9 settori saldati assieme: 7 Europa, 2 Corea
(Hyundai Heavy Industries);
Costo EU: 300 milioni di Euro (Ansaldo Nucleare,
Walter Tosto, Mangiarotti)
Settore (40º):
peso ~500 t
Dimensioni: 13x6x6,5 m3

e tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica
2. Accendere dei magneti molto potenti;
(Magneti superconduttori: raffreddati all’elio supercritico (4,5 ºK); materiali: niobio-titanio
(NbTi) e niobio-stagno (Nb3Sn)); Peso: ~400 ton
Magneti toroidali (18)
Campo magnetico: > 6 Tesla
“solenoide centrale”
campo poloidale (1)
Intensita’: 12 T

2. Accendere dei magneti molto potenti (continua);
(Magneti superconduttori: raffreddati all’elio supercritico (4,5 ºK); materiali: niobio-titanio
(NbTi) e niobio-stagno (Nb3Sn));
Bobine toroidali (18)
Campo magnetico: > 6 Tesla
Bobina toroidale:
Peso ~360 t
16 m x 9 m

Ingredienti: un tokamak*; 10 moli di deuterio (40 g), 10 moli di trizio (60 g); un migliaio di ingegneri, e
tecnici di piu’ di 40 paesi diversi; ~ 50 MW di potenza elettrica
3. Iniettare una miscela di D2 e T2 nella camera a vuoto;
4. Ionizzare le molecole di D2 e T2, e trasformarle in un plasma di D+
e T+
, piu’ una nube di elettroni;
Una corrente intensa
viene fatta passare nei
6 moduli del solenoide
centrale (fino a 46
kA).
La corrente di ogni
modulo viene fatta
decrescere in maniera
controllata .
Cio’ induce un
potenziale che ionizza
la miscela D2 – T2 e
crea il plasma.
Questo si comporta
come il secondario di
un trasformatore e si
scalda.

5. Riscaldare ulteriormente il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);
Riscaldamento supplementare di ioni D+
e T+
e della nuvola di elettroni
- Iniettori di Fasci Neutri (Neutral Beam Injectors, NBI)
- Riscaldamento di ciclotrone di ioni e elettroni (Ion Cyclotron and Electron
Cyclotron Heating, ICH and ECH)
2(+1)x NBI
Tangenziali,
aumentano la
rotazione del plasma e
lo stabilizzano:
potenza 16,5 MW cd.
1x DNBI
“D”= “Diagnostic”
Perpendicolare al plasma.
Potenza ridotta

5. Riscaldare il plasma di D e T (non dimenticare gli elettroni!);
Riscaldamento supplementare di ioni D+
e T+
e della nuvola di elettroni
- Iniettori di Fasci Neutri (Neutral Beam Injectors, NBI)
SPIDER: prototipo di sorgente di D+
ad alta corrente (40 A), 1 MV
Vista in sezione di un NBI:
prototipo MITICA, Lab. INFN
Legnaro (Pd); L ~15 m
16,5 MW, fino a
3000 s di operazione
continua

Prototipi in costruzione ai laboratori RFX (INFN) di Legnaro (Pd)
SPIDER: Source for the Production
of Ions of Deuterium Extracted
from an RF plasma
MITICA: Megavolt ITER Injector and
Concept Advancement
PRIMA: (the Padua Research on ITER
Megavolt Accelerator)

Riscaldamento supplementare di ioni D+ e T+ e della nuvola di elettroni
- Riscaldamento di ciclotrone di ioni e elettroni (Ion Cyclotron and Electron
Cyclotron Heating, ICH and ECH)
4x EC Upper Launchers: usati per combattere le instabilita’
del plasma

Altri sottosistemi, non meno importanti:
- Criostato: serve a mantenere sotto vuoto i magneti superconduttori
Volume libero: 8500 m3
; Diametro 36,5 m, Altezza 31 m; Fornitore: India Domestic Agency

- Schermi Termici (Thermal Shield): servono a limitare i carichi termici a carico
del sistema criogenico
Vacuum Vessel Thermal Shield (grigio), e
Cryostat Thermal Shields (Verde)
Criostato

- Magnet Feeders (China DA): servono a trasportare la corrente e l’elio
supercritico a 4,5 K ai magneti superconduttori.
Alimentatori dei magneti, inseriti nella
pianta dell’edificio del tokamak

- Blanket modules (moduli di protezione): servono ad assorbire delle potenze
fino a 2 MW/m2
, in caso di anomalia con conseguente perdita del plasma
(“disruption events”)
Moduli di
protezione: 440;
Raffreddati ad
acqua;
Materiale: Inox,
Tungsteno, Berillio

- Divertor Cassette (Divertore): elemento fondamentale per la vita del tokamak;
Assorbe le particelle che sfuggono dai bordi del plasma e lascia passare i gas
verso le criopompe; soggetto a carichi termici altissimi. Materiale: inox, CFC
(tungsteno in fase 2); deve sopportare temperature fino a 3000 C
“Cassette” del
divertore: 54
moduli
indipendenti,
raffreddati ad
acqua; peso: 4 ton

- Sistema di raffreddamento

- Remote Handling (Operazioni robotizzate)
Capace di
manipolare i 440
moduli di
protezione.
Tests effettuati in
Finlandia e in Italia
(Brasimone)

- Alimentatori elettrici
Dovranno essere
capaci di fornire
potenze fra 110 e
620 MW (picchi di
30 secondi),
seguendo delle
specifiche di
stabilita’ e
riproducibilita’
estreme
Foto: prototipo del
1998

- Ciclo del combustibile: iniettori di pellets e gas (“gas puffing”)
Ad ogni istante, meno di 1 g di DT e’ presente Servono a introdurre il
combustibile durante la fase di
plasma, ed a smorzare o
terminare certi tipi di instabilita’
del plasma (foto qui sotto).
I pellets (DT a 4,5 K) vengono
lanciati a velocita’ di piu’ di 3000
km/h
Operazione normale: 2000
mbar*l/s

Come si e’ arrivati a ITER?
• ITER: e’ il passo successivo nell’evoluzione dei tokamak
• ITER: puo’, deve!, essere il passo decisivo.
… e le cose sono sulla buona strada!

Come si e’ arrivati a ITER?
L’albero geneaologico della famiglia “tokamak”…

ITER in Confronto a JET
JET
Diametro del toro = 6m
Volume Plasma = 80 m3
Potenza Fusione ~ 16 MWth
ITER
Diametro del toro = 12m
Volume Plasma = 850 m3
Potenza Fusione ~ 500 MWth
48

ITER in Confronto a JET e precendenti
49
ITERITER
IgnitionIgnition
Break EvenBreak Even
Criterio di Lawson (“Triplo Prodotto”):
lega temperatura, densita’ e tempo di
confinamento:

Dove si trova ITER? Sito di Cadarache, Alta Provenza, Francia, 70 km a NE di
Marsiglia…
Superficie occupata - 60 ettari
Ed. Tokamak &
Assemblaggio – 6
livelli @ 166 m x
81 m x 57 m
(~36000 m2
)
Edificio Trizio – 7 piani
@ 25 m x 80 m (~14000 m2
)
Piu’ grande produzione al mondo
(~300 kg/anno) (Fase 2, dopo il
2026)
Impianto Criogenico – 65 kW
at 4.5 K & 1300 kW at 80 K
Secondo piu’ grande al mondo
Edifici Alimentatori di
Potenza
(~1000 MW potenza di picco)
Area Stoccaggio
componenti attivati
60 m x 70 m
Magneti Poloidali: Edificio di
Bobinamento ~250 m x 45 m

ORGANIZZAZIONE: DAs e IO
“AGENZIE DOMESTICHE” e “ITER ORGANIZATION”
Agenzia Domestica Europea:
“Fusion for Energy” (“F4E”);
Barcellona

Finanziamento del Progetto
• La “torta” e’ divisa in 11 parti: 5 a carico dell’EU
(gestito da F4E), e 1 parte a carico di ciascuno degli
altri 6 partners (CN, IN, JA, KO, RU, US).
All’interno della EU (paesi EURATOM), la Francia si e’
accollata delle spese supplementari (Region PACA,
rifacimento di decine di ponti, strade per permettere il
passaggio di trasporti eccezionali dal porto di Fos
(Marsiglia) fino a Cadarache (106 km)
Itinerario dei Componenti di ITERItinerario dei Componenti di ITER= ItinerarioITER Site

Conclusione: se tutto procede come previsto, verso la fine di Novembre
2019 qualcosa di simile a questo comparira’ all’interno della camera a
vuoto di ITER…
Foto grandangolare presa all’interno di KSTAR, il tokamak a magneti superconduttori,
recentemente entrato in funzione nella Corea del Sud

Grazie dell’attenzione! 

www.fusionenucleare.it

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