Presentazione rfx 20-05-2013
- 1. IntroduzioneIntroduzione allaalla ricercaricerca sullasulla fusionefusione termonuclearetermonucleare controllatacontrollata ee allall¡¯¡¯esperimentoesperimento RFXRFX--modmod
- 2. Consumo di energia primaria al mondoConsumo di energia primaria al mondo
- 3. Consumo proConsumo pro--capite e qualitcapite e qualit¨¤¨¤ della vitadella vita Indice di sviluppo umano: speranza di vita, alfabetizzazione, reddito pro capite Soglia consumo procapite e qualit¨¤ della vita Ingresso Paesi in via di sviluppo e sottosviluppati durante prossimi 50 anni, 80% popolazione mondiale
- 4. Motivazioni per studiare nuoveMotivazioni per studiare nuove fonti energetichefonti energetiche IDROCARBURI Attualmente circa l¡¯ 80% dell¡¯energia ¨¨ prodotta da idrocarburi: carbone, petrolio, gas metano Italia: - dipende da petrolio per il 49% - dal gas naturale per il 35% - combustili importati da paesi politicamente instabili (Libia, Russia, Medio Oriente)
- 5. AndamentoAndamento deidei prezziprezzi deldel petroliopetrolio Gulf war Taglio della produzione OPEC Aumento della richiesta dei paesi emergenti / speculazione
- 6. Riscaldamento globaleRiscaldamento globale 19981998: protocollo di Kyoto prevede una riduzione dell¡¯emissione di CO2 entro il 2012 del 6.5% rispetto alle rilevazioni del 1990
- 7. NecessitNecessit¨¤¨¤ didi ricerchericerche susu fontifonti rinnovabilirinnovabili e alternativee alternative FISSIONE NUCLEARE FUSIONE NUCLEARE NUCLEARE SOLARE EOLICO GEOTERMICO BIOMASSE IDROELETTRICO RINNOVABILI SATURO!
- 8. Energia equivalenteEnergia equivalente La stessa quantit¨¤ di energia si ottiene da: 10 t di carbone 7000 lt di nafta 1 kg di uranio naturale 1 cm3 di deuterio 50 lt di H2O NOTEVOLE CONVENIENZA DEL NUCLEARE
- 9. Da cosaDa cosa ¨¨¨¨ composta la materia?composta la materia? Atomi:Atomi: ¨C¨C NucleoNucleo ProtoniProtoni NeutroniNeutroni ¨C¨C ElettroniElettroni
- 10. LL¡¯¡¯idrogeno e i suoi isotopi:idrogeno e i suoi isotopi: Deuterio e TrizioDeuterio e Trizio Il Trizio non esiste in naturaIl Trizio non esiste in natura Tempo di dimezzamento:12 anniTempo di dimezzamento:12 anni
- 11. Massa Atomica Fusione U D He 3 He 4 Li T Fissione Energia liberata dalla fusione Energia liberata dalla fissione Densit¨¤diEnergianuclearedilegame liberata OrigineOrigine delldell¡¯¡¯energiaenergia nuclearenucleare:: ll¡¯¡¯energiaenergia didi legamelegame D T He n Fusione n U n Fissione E=????mc2 DD
- 12. OrigineOrigine delldell¡¯¡¯energiaenergia nuclearenucleare:: ilil difettodifetto didi massamassa Massa(U) > Massa(PF1) + Massa(PF2) + 3*Massa(n) Fissione E = 17.2 MeV E/m = 330 MJ/kg Massa(D) + Massa(T) > Massa (He) + Massa(n) Fusione 1 eV=1.6021 10-19 Joule E = 200 MeV E/m = 95 MJ/kg
- 13. La fusione esiste in natura ?La fusione esiste in natura ? Il soleIl sole ¨¨¨¨ unauna ¡°¡°centralecentrale¡±¡± a fusione nucleare naturale chea fusione nucleare naturale che fornisce lfornisce l¡¯¡¯energia vitale alla terra da 5 miliardi di annienergia vitale alla terra da 5 miliardi di anni (fusione(fusione--sole)sole) Nelle stelle la fusioneNelle stelle la fusione avviene perchavviene perch¨¦¨¦ la materiala materia ¨¨¨¨ coscos¨¬¨¬ densa e cosdensa e cos¨¬¨¬ caldacalda (milioni di gradi centigradi)(milioni di gradi centigradi) che i nuclei non possonoche i nuclei non possono pipi¨´¨´ respingersirespingersi
- 14. Il nucleare di domani: la fusioneIl nucleare di domani: la fusione Perch¨¨ sarebbe vantaggioso riprodurla sulla terra? - non viene prodotta CO2 - intrinsecamente sicura - assenza di rilevante materiale radioattivo - ampia disponibilit¨¤ di materie prime D oceani (15g/m3 di D2O) 2 g di D ogni 50 l acqua T 7% crosta terrestre Litio Li6 3 + n T + He4 2 + 4.8 MeV
- 15. Il nucleare di domani: la fusioneIl nucleare di domani: la fusione I problemi: - l¡¯innesco delle reazione di fusione richiede temperature molto elevate (>100 milioni di gradi) - il controllo della materia in queste condizioni starordinarie (plasma) ¨¨ molto complesso attivit¨¤ di ricerca su scala mondiale Perch¨¨ sarebbe vantaggioso riprodurla sulla terra? - non viene prodotta CO2 - intrinsecamente sicura - assenza di rilevante materiale radioattivo - ampia disponibilit¨¤ di materie prime D oceani (15g/m3 di D2O) 2 g di D ogni 50 l acqua T 7% crosta terrestre Litio Li6 3 + n T + He4 2 + 4.8 MeV
- 16. +T GASSOSO +T +T Plasma: il quarto stato della materiaPlasma: il quarto stato della materia +T - - - - - - - - - - + + PLASMA: un gas altamente ionizzato Il plasmaIl plasma ¨¨¨¨ la forma della materia pila forma della materia pi¨´¨´ comune nellcomune nell¡¯¡¯universo >99%universo >99%
- 17. Plasmi in naturaPlasmi in natura -- 11 La difficolt¨¤ ad ¡°immaginare¡± cosa sia un plasma nasce dal fatto che in natura (sulla Terra) il plasma ¨¨ uno stato molto raro della materia. Alcuni esempi sono le aurore boreali¡
- 18. Plasmi in naturaPlasmi in natura -- 22 ¡ i fulmini Fotografia di Fernando D¡¯Angelo, Padova.
- 19. Il problema del confinamentoIl problema del confinamento Per esempio nei fulmini, nell¡¯aurora boreale e all¡¯interno delle lampade a Neon, non ci sono le condizioni per ottenere reazioni di fusione. Sulla terra non ¨¨ possibile ottenere la densit¨¤ che c¡¯¨¨ nel sole (l¨¬ il confinamento ¨¨ gravitazionale), ma per fortuna esiste un altro modo di confinare il plasma, il confinamento magnetico. Invece ci sono all¡¯interno del nucleo del sole (pressione e temperatura elevatissime). Non tutti i plasmi in natura hanno una configurazione tale da permettere di superare la barriera coulombiana (=repulsione) e generare reazioni nucleari di fusione. Per superare tale barriera occorre raggiungere opportune condizioni di densit¨¤ e temperatura.
- 20. IlIl ¡°¡°contenitorecontenitore¡±¡± ¨¨¨¨ il campoil campo magneticomagnetico Sono raggiunte altissime temperature (~100 milioni di gradi). Come confinare il plasma? CAMPO MAGNETICO Effetto solo su particelle cariche: B B- + I B I B
- 21. Come riscaldare il plasma ?Come riscaldare il plasma ? ? Riscaldamento ohmico: si applica al plasma una corrente elettrica molto intensa. Il plasma ha una sua resistivit¨¤ intrinseca (pari all¡¯incirca a quella del rame) e si riscalda come una gigantesca lampadina ad incandescenza ? Riscaldamento a radiofrequenze: il plasma irraggiato da onde elettromagnetiche come un forno a microonde ? Riscaldamento tramite atomi elettricamente neutri veloci sparati all¡¯interno del plasma
- 22. LL¡¯¡¯incremento del prodotto triploincremento del prodotto triplo
- 23. Il futuro: ITERIl futuro: ITER Reattore sperimentale con dimensioni ¡°da centrale¡± Progetto internazionale Costruzione in corso a Cadarache (Francia) Dimensione di una persona in ITER ww.iter.org
- 24. Come funzionerCome funzioner¨¤¨¤ unauna centrale a fusione?centrale a fusione? n
- 25. LeLe ricerchericerche sullasulla fusionefusione a Padovaa Padova
- 26. RFX: la storiaRFX: la storia Lo studio sui gas ionizzati ha inizio negli anni ¡¯60 all¡¯Universit¨¤ di Padova ETA BETA I: contenitore in quarzo attivo dal 1971 al 1978 ETA BETA II: attivit¨¤ sperimentale dal 1979 al 1989 Nel 1992 RFX inizia la sua attivit¨¤ sperimentale Nel 1996 viene istituito il ¡°Consorzio RFX¡±: ¨C CNR, Consiglio Nazionale delle Ricerche ¨C ENEA, Ente per le Nuove tecnologie, l¡¯Energia e l¡¯Ambiente ¨C L¡¯Universit¨¤ di Padova ¨C Acciaierie Venete S.p.A. ¨C INFN, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (di recente)
- 27. RFXRFX--modmod Macchina di tipo ¡°Reversed Field Pinch¡± Interferometro Tomografia a Raggi X Iniezione di pellet Thomson scattering Riflettometro Raggio maggiore R 2 m Raggio minore a 0.46 m Max Corrente di plasma 2 MA Max Campo magnetico toroidale applicato 0.7 T Durata impulso 0.6 s
- 28. RFXRFX--modmod: Camera da Vuoto: Camera da Vuoto 4 m - acciaio - spessore: 30mm - aperture pompaggio: 150mm
- 29. La primaLa prima pareteparete (vista(vista internainterna))
- 30. geometriageometria toroidaletoroidale RFX: campo magnetico diRFX: campo magnetico di confinamentoconfinamento
- 31. RFX:RFX: AvvolgimentoAvvolgimento MagnetizzanteMagnetizzante campo magnetico campo elettrico La funzione dell¡¯avvolgimento magnetizzante ¨¨ quella di fornire l¡¯energia per la creazione e il sostenimento del plasma (legge Faraday) Imax=50kA
- 32. RFX:RFX: AvvolgimentoAvvolgimento ToroidaleToroidale B I La funzione dell¡¯avvolgimento toroidale ¨¨ quella di fornire la componente toroidale del campo magnetico di confinamento Imax=16kA
- 33. saddle coil RFX:RFX: controllocontrollo delldell¡¯¡¯equilibrioequilibrio verticaleverticale ee bobinebobine didi campocampo radialeradiale PosizionePosizione PerturbazioniPerturbazioni BobineBobine aa sellasella B I La funzione principale dell¡¯avvolgimento poloidale (di campo verticale) ¨¨ quella di controllare la posizione del plasma La funzione del sistema di bobine di campo radiale ¨¨ quella di contrastare i fenomeni di instabilit¨¤ che si hanno all¡¯interno del plasma F I =400A
- 34. BobineBobine e camerae camera
- 35. RFXRFX--modmod (modificato dal 2004)(modificato dal 2004) new vacuum vessel ports for ISIS feedthroughs vessel-shell insulated spacers vacuum vessel new vacuum vessel ports for ISIS feedthroughs shell clamping bands shell equatorial gap shortcircuits vessel-shell insulated spacers vacuum vessel 3 mm copper shell new vacuum vessel ports for ISIS feedthroughs new toroidal support structure shell clamping bands shell equatorial gap shortcircuits vessel-shell insulated spacers vacuum vessel 3 mm copper shell new vacuum vessel ports for ISIS feedthroughs new toroidal support structure shell clamping bands shell equatorial gap shortcircuits vessel-shell insulated spacers vacuum vessel 3 mm copper shell saddle coil system new vacuum vessel ports for ISIS feedthroughs toroidal coil new toroidal support structure shell clamping bands shell equatorial gap shortcircuits vessel-shell insulated spacers Camera 3 mm copper shell saddle coil system
- 36. VistaVista aereaaerea didi RFXRFX Linea elettrica da 400 kV Trasformatori 400/21.6 kV Trasformatori 21.6/1.48 kV Alim. Poloidale Alim. ToroidaleSala macchina (R5)
- 37. PrincipaliPrincipali risultatirisultati ottenutiottenuti susu RFXRFX Parametro Valori ottenuti 2010 Valore atteso corrente di plasma 2.0 MA 2 MA campo magnetico toroidale 0.40 T 0.7 T tempo di salita della corrente 80 ms 15 ¡Â 50 ms durata della scarica >500 ms 250 ms temperatura elettronica sull'asse 1.3 keV 15M¡ãC 1 keV densit¨¤ elettronica 0.5-1 1014 cm-3 1 1014 cm-3 tempo di confinamento dell'energia ¦Ó¦Ó¦Ó¦ÓE ¡Ö2-4 ms 10 ms tensione di giro 22 V 16 V
- 38. PrincipaliPrincipali scopertescoperte susu RFXRFX InsorgenzaInsorgenza didi strutturestrutture MHDMHD elicoidalielicoidali concon confinamentoconfinamento miglioratomigliorato EsperimentiEsperimenti didi rotazionerotazione delladella strutturastruttura elicoidaleelicoidale
- 39. Neutral Beam InjectorNeutral Beam Injector TokamakZona montaggio NBIs IlIl sistemasistema didi riscaldamentoriscaldamento adad iniezioneiniezione didi neutrineutri per ITERper ITER verrverr¨¤¨¤ realizzatorealizzato ee sperimentatosperimentato a Padovaa Padova
- 40. LL¡¯¡¯iniettoreiniettore didi neutrineutri per ITERper ITER 5 m
- 41. ConclusioniConclusioni La ricerca sulla fusione nucleare controllata ¨¨ ancora da considerare ricerca di base anche se orientata alla soluzione di un problema concreto quale quello energetico. Gli ingenti investimenti hanno certamente una ricaduta positiva perch¨¦ queste ricerche utilizzano tecnologie di punta e promuovono ulteriori sviluppi in diversi settori (magneti superconduttivi, tecnologie dei materiali, alimentazioni elettriche, controlli in tempo reale e acquisizione dati). La disponibilit¨¤ di questa fonte potrebbe essere indispensabile per soddisfare la domanda di energia e le collegate aspettative di incremento del tenore di vita per una grande percentuale della popolazione mondiale.