#1 La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Fabio Villone Associazione EURATOM/ENEA/CREATE DIEI Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale [email protected] F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Sommario • I problemi energetici e la fissione nucleare • Che cos’è la fusione • Aspetti scientifici e tecnici della fusione • La ricerca: breve storia e stato attuale • Le prospettive future F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #2 #3 I problemi energetici e la fissione nucleare F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione #4 Le fonti energetiche Il consumo di energia mondiale sta crescendo, specialmente nei paesi in via di sviluppo World energy outlook 2011, www.eia.gov F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione #5 Come viene prodotta l’energia? Carbone Petrolio Gas Vento Geotermia Solare Idroelettrica Biomasse World energy outlook 2011, www.eia.gov Nucleare F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione #6 Le energie non sono tutte uguali… Possiamo continuare a produrre energia elettrica con i combustibili fossili? Possiamo realmente rimpiazzarli con le fonti “alternative”? World energy outlook 2011, www.eia.gov F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione Problemi con i combustibili fossili • Inquinamento (gas serra, piogge acide) • Risorse limitate (modello di Hubbert) • Localizzazione geografica (problemi geopolitici) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #7 I problemi energetici e la fissione #8 Le fonti “alternative” Vantaggi Svantaggi Idroelettrica Pulita,no CO2 costruzione dighe limiti geografici variabilità temporale Eolica Pulita,no CO2 Geotermica Pulita,no CO2 limiti geografici Solare Pulita,no CO2 alto numero di celle solari limiti geografici variabilità temporale Nucleare no CO2 Vedi oltre… alto numero di generatori rumorosità limiti geografici variabilità temporale Possono realmente sostituire completamente i combustibili fossili ? F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive I problemi energetici e la fissione La fissione nucleare /1 Questo processo produce energia grazie al difetto di massa (vedi oltre) E’ una reazione a catena: autosostenuta dai neutroni prodotti da ogni fissione (opportunamente “rallentati” dai cosiddetti moderatori) La fissione nucleare consiste nello “spaccare” un atomo “pesante” (uranio-235) in prodotti più “leggeri” bombardandolo con neutroni di opportuna energia F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #9 I problemi energetici e la fissione La fissione nucleare /2 • Problema#1. L’uranio è scarso • Risposta#1: non più dei combustibili fossili… L’Italia ha abbandonato la fissione nucleare (referendum popolari del 1987 e 2011) Decisione avventata? Fatti sull’onda emotiva degli incidenti di Chernobyl e Fukushima (vedi oltre) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #10 I problemi energetici e la fissione Elementi radioattivi /1 Elementi che decadono spontaneamente (si trasformano in altri elementi) emettendo particelle (nuclei di elio), particelle (elettroni), raggi (radiazioni energetiche) Pericolose per l’uomo: – A dosi massicce: radiation sickness (morte entro pochi giorni) – A dosi “basse”: aumentato rischio di contrarre malattie mortali (tumori) – Che significa dosi basse? Indicazioni molto contraddittorie… F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #11 I problemi energetici e la fissione Elementi radioattivi /2 • Problema#2. L’uranio è radioattivo • Risposta#2: in condizioni normali il pubblico subisce dosi di radiazioni non superiori significativamente al sottofondo naturale (praticamente nullo incremento di rischio) • Problema#3. Esiste la possibilità di incidenti con rilascio di sostanze radioattive • Risposta#3: Negli ultimi 50 anni solamente tre incidenti seri: Three Mile Island (1979, USA), Chernobyl (1986, URSS), Fukushima (2011, Giappone) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #12 I problemi energetici e la fissione Incidenti /1 • Three Mile Island: nessuna conseguenza • Chernobyl: “l’incidente perfetto” – – – – Errori di progetto del reattore Mancanza di elementari misure di sicurezza Malfunzionamento di vari dispositivi Errori umani ed irresponsabilità degli operatori • Fukushima: dovuto ad una catastrofe – Tsunami di 14 m (progettato per resistere a 6.5m) – Rilascio di materiali radioattivi molto più contenuto di Chernobyl – Non è la conseguenza più grave (30000 morti!) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #13 I problemi energetici e la fissione Incidenti /2 • Chernobyl – Alcune decine di morti (pompieri, operatori) per radiation sickness – Aumentata incidenza di tumori alla tiroide nella popolazione circostante (sopravvivenza a 10 anni >90%) – Altri effetti (e.g. leucemia) praticamente non rilevabili statisticamente • Fukushima – Nessun morto per radiation sickness – Esposizione alle radiazioni molto minore che a Chernobyl F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #14 I problemi energetici e la fissione #15 Le scorie • Problema#4. Le scorie sono radioattive con lunghi tempi di decadimento (decine di migliaia di anni) • Risposta#4: il problema dello stoccaggio delle scorie è effettivamente quello più serio che affligge la fissione nucleare. Dal punto di vista tecnico esso è risolubile; serve però una forte volontà politica per individuare i siti idonei e convincere la popolazione (altrove è stato fatto; impossibile in Italia?) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #16 Che cos’è la fusione F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cos’è la fusione Le reazioni di fusione #17 La fusione nucleare é il processo nel quale nuclei di elementi leggeri si fondono insieme per formare nuclei più pesanti Il difetto di massa viene trasformato in energia secondo la formula più famosa del mondo: E=mc2 di Albert Einstein (premio Nobel per la fisica nel 1921) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cos’è la fusione La fusione avviene già… Nel sole e nelle altre stelle Sulla terra nella bomba H F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #18 Che cos’è la fusione Deuterio (D) – Trizio (T) Le reazioni di fusione più “facili”: D + T -----> 4He + n D + D -----> 3He + n D + D -----> T+ H coinvolgono gli isotopi dell’idrogeno Il Deuterio è contenuto nell’acqua Il Trizio si produce dal Litio con la reazione 6Li + n --> 4He + T 7Li + n --> 4He + T + n F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #19 Che cos’è la fusione Come avviene la fusione /1 + + #20 Per far avvenire la fusione occorre avvicinare i reagenti a distanza subatomica (forze nucleari forti) Per ottenere ciò bisogna superare la repulsione elettrostatica tra cariche dello stesso segno F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cos’è la fusione Come avviene la fusione /2 #21 Prima possibilità: confinamento inerziale Possibile in principio: ci si sta lavorando Si colpisce una pallina di D e T con dei laser potentissimi per comprimerla a sufficienza da far avvenire la reazione di fusione F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cos’è la fusione Come avviene la fusione /3 #22 Seconda possibilità: fusione fredda (LENR: low enery nuclear reactions) Pochi ricercatori sono riusciti a replicare gli esperimenti originari: molto controversa Si favoriscono le reazioni grazie ad un “catalizzatore” (Palladio) Fleischmann - Pons, 1989 F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Che cos’è la fusione Come avviene la fusione /4 #23 Terza possibilità: fusione termonucleare Le temperature richieste sono di 100 milioni di gradi Si riscalda il D e il T fino a che la velocità di agitazione termica delle particelle è tale da far avvenire urti abbastanza violenti da vincere la repulsione ed avvicinarli abbastanza F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #24 La fusione termonucleare controllata: aspetti scientifici e tecnici F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fusione termonucleare controllata #25 Il plasma A temperature così alte si raggiunge il quarto stato della materia: il plasma (un gas ionizzato) I nuclei e gli elettroni diventano indipendenti F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fusione termonucleare controllata I plasmi sono ovunque … … ma come produrre e dove contenere un plasma così caldo? F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #26 La fusione termonucleare controllata Il riscaldamento Si fa percorrere il plasma da una corrente elettrica di milioni di Ampére tramite un opportuno trasformatore (riscaldamento ohmico per effetto Joule) Si utilizzano radiazioni elettromagnetiche (riscaldamento a radiofrequenza come un “forno a microonde”) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #27 La fusione termonucleare controllata Il confinamento magnetico Le particelle cariche in presenza di un campo magnetico non sono libere nel loro moto, ma spiralizzano lungo le linee di forza In questo modo possiamo confinare il plasma senza che urti le pareti circostanti F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #28 La fusione termonucleare controllata #29 Il tokamak Si dà al plasma una forma “a ciambella” (toroidale) per evitare la fuoriuscita di particelle тороидальная камера с магнитными катушками Camera toroidale a bobine magnetiche Inventato negli anni ’50-’60 dal fisico russo Andrei Sakharov (premio Nobel per la pace nel 1975) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La fusione termonucleare controllata Componenti di un reattore Plasma Vessel Blanket Magneti Sistemi di riscaldamento Alimentazioni Scambiatori di calore e turbine F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #30 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /1 Utilizza combustibili che sono abbondanti ed ampiamente disponibili in tutto il mondo. • Il Deuterio contenuto nell’acqua di mare é sufficiente per trecentomila milioni di anni • Il Litio, abbondante sulla terra e negli oceani, é sufficiente per circa 2000 anni F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #31 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /2 • La fusione non produce gas responsabili dell’effetto serra (C02) o delle piogge acide (S02, N02) • La fusione è adatta alla produzione di energia elettrica su larga scala F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #32 La fusione termonucleare controllata I potenziali vantaggi /3 Pone (relativamente) pochi problemi di sicurezza: • “Scorie” radioattive poco preoccupanti (He innocuo, strutture potenzialmente attivate ma solo in prossimità del plasma) • Materiali radioattivi (T) a basso tempo di decadimento e prodotti in loco • Sicurezza “intrinseca” (solo pochi g di combustibile nel reattore, reazione non a catena che si spegne in pochi secondi in caso di problemi) • Rischio bassissimo di rilascio di sostanze radioattive nell’ambiente F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #33 #34 La ricerca sulla fusione: breve storia e stato attuale F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione #35 “Capire” la fusione • Fino al XIX secolo, non si sapeva come il sole producesse energia (combustione, collasso gravitazionale,…) • 1905 (annus mirabilis): equivalenza massa energia (E=mc2) A. Einstein, “Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?”, Annalen der Physik 18, 639–641 • 1920: Sir Arthur Eddington ipotizzò che la produzione di energia nelle stelle fosse collegata alla conversione di idrogeno in elio • 1928: Irving Langmuir propose il termine “plasma” per descrivere “a region containing balanced charges of ions and electrons” • 1938: Hans Bethe introdusse una teoria che spiega la produzione di energia tramite fusione nelle stelle (premio Nobel per la fisica nel 1967) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /1 • Anni ’30: primi esperimenti di fusione al Cavendish laboratory (Cambridge, UK) • 1946: Sir George Thomson (premio Nobel per la fisica nel 1937) e Moses Blackman depositano un brevetto per un reattore a fusione • 1952-53: prime bombe H (prima USA e poi URSS) • 1961: Bomba Zar, la bomba H più potente mai fatta esplodere (URSS) pari a 57 megatoni ( 4500 volte più potente di quella di Hiroshima) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #36 La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /2 • 1951: Spitzer fondò il Princeton Plasma Physics Laboratory (USA) proponendo la configurazione magnetica “stellarator” • 1952: “magnetic pinch device” a Los Alamos National Laboratory (USA) • 1954: ZETA (magnetic pinch device) ad Harwell, vicino Oxford (UK) • 1958: “Atoms for peace conference” in Ginevra: parziale declassificazione degli studi sulla fusione. Gli studiosi russi, americani e britannici cominciano a condividere le ricerche. F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #37 La ricerca sulla fusione “Realizzare” la fusione /3 • 1968: configurazione magnetica “tokamak”, inventata da Andreij Sacharov (premio Nobel per la pace nel 1975) e Igor Tamm. Risultati straordinari in termini di temperatura, densità e tempo di confinamento rispetto alle altre macchine. • Anni ’70: grosso interesse per i dispositivi tokamak, che vengono progettati e costruiti in tutto il mondo • 1983: primo plasma al JET (Joint European Torus), vicino Oxford (UK) • 1985: primo plasma al JT-60 (Giappone) • 1988: primo plasma a Tore Supra (Francia) • Anni ’80 e ’90: altri dispositivi (più piccoli) entrano in funzione in tutto il mondo (Europa è leader!) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #38 La ricerca sulla fusione Alcuni record della fusione F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #39 La ricerca sulla fusione La macchina del record Progettato negli anni ‘70 Iniziato a costruire nel 1978 Operativo dal 1983 Soggetto a molte “migliorie” per seguire lo stato delle conoscenze Alcune peculiarità tecniche lo rendono ancora oggi pressoché unico nel panorama della ricerca sulla fusione F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #40 La ricerca sulla fusione La fusione in Italia /1 FTU (Frascati Tokamak Upgrade) è funzionante a Frascati (Roma) presso il Centro di Ricerca ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #41 La ricerca sulla fusione La fusione in Italia /2 #42 RFX (nella linea dei Reversed Field Pinches) è funzionante a Padova, presso il Centro di Ricerca del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive La ricerca sulla fusione La fusione in Italia /3 Vari istituti di ricerca si occupano in Italia di ricerca teorica e sperimentale sulla fusione, facendo parte dell’Associazione EURATOM che coordina la ricerca europea del settore: ENEA (FTU), CNR (RFX), Università, Consorzi Consorzio CREATE: (Consorzio di Ricerca per l’Energia le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo) L’Università di Cassino è tra i soci e fa quindi parte dell’Associazione EURATOM •Corsi dedicati alla fusione (laurea magistrale ing. elettrica) •Visite guidate, stage, tirocini, tesi di laurea F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #43 #44 Le prospettive future F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /1 International Thermonuclear Experimental Reactor Obiettivo: “to demonstrate the scientific and technological feasibility of fusion power for peaceful purposes” Per raggiungere ciò, ITER: • produrrà più potenza di quanta ne consumi (Q 10, potenza da fusione 500 MW) • implementerà e testerà le tecnologie chiave necessarie per un reattore a fusione (magneti superconduttori, materiali a bassa attivazione, lithium breeding, remote handling, …) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #45 Le prospettive future Il prossimo passo: ITER /2 Una cooperazione internazionale per fare un balzo in avanti F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #46 Le prospettive future #47 Il prossimo passo: ITER /3 • 1985: Michail Gorbaciov propose a Ronald Reagan di perseguire un progetto per lo sfruttamento pacifico della fusione • 1988: inizio del progetto concettuale • 1992-2001: progetto ingegneristico (con molte peripezie…) • 2005: Selezione del sito (Cadarache, Provenza, Francia) • 2008: inizio costruzione (il cantiere è in funzione) • Costo previsto: 10 miliardi di EUR … è stata una scelta vincente? Ai posteri l’ardua sentenza… F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le prospettive future #48 Il prossimo passo: ITER /4 10 MILIARDI DI EURO Costoso? Certamente in assoluto, non lo è, se paragonato ai bilanci statali di USA e Europa • Portaerei Cavour (varata nel 2009): 1,3 miliardi di euro • Caccia F35: oltre 100 milioni (USAF ne ordinerebbe 2000 !) = F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le prospettive future Quando la fusione? • Rebus sic stantibus, qual è la prospettiva? • 2020: fine costruzione ITER • 2015: in operazione un “satellite” di ITER (forse in Italia: FAST) • 2020-2040: operazione di ITER Dopo ITER: DEMO • Dimostrare l’effettiva produzione di energia elettrica tramite fusione • Sviluppare la parte di impianto “convenzionale” (scambiatori di calore, turbine etc.) • Produrre in loco il trizio • Se/quando? Dipende dal successo di ITER… F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #49 #50 “Fusion will be there when society needs it” (Lev Artsimovich) Grazie per l’attenzione Fabio Villone, [email protected] (Corso di “Plasmi e fusione termonucleare controllata”, Laurea Magistrale Ingegneria Elettrica) F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #51 Backup slides F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive Le prospettive future Quando la fusione? /1 • 1933: Lord Rutherford (premio Nobel per la chimica nel 1908): “anyone who looks for a source of power in the transformation of the atom is talking moonshine” • Anni ‘70: un pamphlet della General Atomics (USA) riportava: “several commercial fusion reactors are expected to be online by the year 2000” • In generale, fino agli anni ’80 inoltrati, le prospettive apparivano rosee alla luce degli sviluppi rapidissimi e molto promettenti della linea tokamak • Cosa è successo? F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #52 Le prospettive future Quando la fusione? /2 • La prospettiva di realizzare ITER ha “bloccato” per oltre un decennio l’avanzamento nella realizzazione di ulteriori dispositivi per problemi politici ed economici • Gli unici dispositivi che attualmente sono in costruzione o all’inizio delle operazioni sono o “alternativi” (stellarator) o di taglia “medio-piccola” nei paesi dell’estremo oriente (Cina e Corea) • L’Europa ha bloccato a fine anni ’80 il progetto di NET (Next European Torus), che a conti fatti sarebbe stato “simile” ad ITER (ma forse con 15 anni di “vantaggio”…) • … What if? … F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive #53 Le prospettive future #54 Per riassumere… • • • • • • Anni ’20 –’40: comprensione del fenomeno Anni ’50 –’60: studi sperimentali pioneristici Anni ’70 –’80: the tokamak era Anni ’90-2000: “Aspettando Godot” Anni 2010-2020: ITER & satellite Anni 2030 e oltre: DEMO & more? F. Villone, La fusione termonucleare controllata: stato della ricerca e prospettive