#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)
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#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…
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#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)
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#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!)
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#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
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#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
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#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
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#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
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#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