Ingegneria dei Sistemi Elettrici

10a_EAIEE_ FUSIONE_NUCLEARE_TOKAMAK
(ultima modifica 03/12/2013)
IL FABBISOGNO ENERGETICO MONDIALE
Situazione attuale e proiezioni per il futuro
M. Usai
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Le fonti di energia sono classificate in :
• fonti di energia tradizionali
Le fonti di energia tradizionale sono quelle che utilizzano i
combustibili fossili per ottenere energia meccanica e/o
elettrica. Esse costituiscono fonti di energia non rinnovabili.
Attualmente con queste fonti si genera l’aliquota maggiore di
energia prodotta.
• fonte di energia alternativa
Le fonti di energia alternativa producono energia meccanica e/o
elettrica con processi differenti da quelli delle fonti
tradizionali.
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Esempi di fonti energetiche alternative :
•Energia nucleare: generata con la fissione o con la fusione
•Energia idroelettrica
•Energia geotermica
•Energia eolica
•Energia solare: generata con le centrali solari termiche o centrali
fotovoltaiche)
•Energia del moto ondoso e delle maree
•Energia prodotta dalla dissociazione molecolare (rifiuti urbani, biomassa…)
•Energia marina
•Agroenergie
1. biogass: prodotto dalla fermentazione batterica in assenza di ossigeno dei
residui organici provenienti da rifiuti.
2. produzione di biocarburante: biodisel, green diesel, olio di colza, biometanolo
…
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Grid Parity
Per valutare la convenienza economica dell’utilizzazione
di una fonte di energia alternativa
↓
occorre calcolare la grid parity .
La grid Parity è la condizione per la quale l’energia elettrica prodotta
con metodi alternativi (energie rinnovabili) ha lo stesso costo della
energia tradizionale che viene fornita dalla rete elettrica esistente***.
*********************************************************************************
Per rete elettrica esistente si intende la rete reale attuale, che è alimentata da diverse tipi di fonti di
energia (tradizionale e non, rinnovabile e non).
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Grid Parity
Attualmente non è stato raggiunto il grid parity per tutte le fonti di
energia alternative.
Per esempio per l’energia solare questo traguardo è stato raggiunto
in aree con sole abbondante e alti costi per l'energia tradizionale,
come in California, Spagna e Hawaii e non è stato raggiunto in
molti altri paesi, dove le condizioni climatiche non sono favorevoli
o/e esiste ancora il vantaggio economico dell’approvvigionamento
di combustibili tradizionali.
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Le fonti energetiche nel mondo
industrializzato
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Unità di misura per quantificare i consumi di energia
è relativa a quella prodotta da 1t di petrolio grezzo
Il Toe rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione
di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ
1 Toe
1 Toe
41,868 GJ
≈ 42 109 J
o
o
11,639 MWh, quindi
≈ 12 106Wh
1 Mtoe=106 Toe
≈ 42 P J o ≈ 12 T Wh, quindi
1 Mtoe=106 Toe
≈ 42 1015 J o ≈ 12 1012 Wh
P =peta= 1015 T=tera= 1012 G =giga= 109 M=mega= 106
1 Wh ≡ 3 600J
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Negli ultimi decenni il il consumo mondiale di energia nel
pianeta ha subito rapidi cambiamenti.
15
In 30 anni dal 1970 al 2000 il consumo
mondiale di energia è raddoppiato
10
Nel 2000 ha raggiunto i 10 miliardi di TEP
(tonnellate equivalenti di petrolio)
5
Per i 30 anni successivi al 2000 è previsto
un ulteriore aumento del 50%
1
1000
M. Usai
1200
1400
1600
1800
1920
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K
1970
2000
8
2030
Il consumo pro capite è diverso nei paesi del mondo
Consumi di energia (milioni di tep)
Abitanti (milioni)
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Come sono ripartite le fonti d’energia nel mondo ?
L’America del Nord continua a essere il paese con il maggior consumo di energia anche se la percentuale
di energia consumata nel mondo è diminuita per l’aumento dei consumi dei paesi emergenti dell’Asia
Consumo più alto
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Consumi di energia relativi alle diverse fonti
Carbone %
↑
Petrolio %
↓
Gas naturale %
↑
Nucleare %
↑
Idroeletrico %
↑
Legna da ardere % ↓
Geotemico /solare/
eolico %
1 Mtoe
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12 miliardi kWh
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11
↑
Un nord americano consuma 26 barili di petrolio all’anno
Un italiano consuma 12 barili di petrolio all’anno
Un cinese consuma 2 barili di petrolio all’anno
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Se tutti gli abitanti del pianeta consumassero
energia come gli abitanti del nord America, il
pianeta dovrebbe sopportare consumi di energia
14 volte quelli attuali, con conseguenze
economiche, sociali ed ambientali nemmeno
immaginabili.
↓
Una prospettiva non sostenibile.
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L’alta aliquota della energia prodotta con il petrolio potrebbe essere prodotta
con le centrali nucleari a fissione, ma non tutti i paesi le utilizzano
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Andamento negli anni estrazione petrolio in miliardi di barili / anno
Nel 2004 abbiamo già raggiunto il picco di produzione del petrolio e le previsioni indicano
una diminuzione costante delle possibilità di approvvigionamento per il futuro
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_NUCLEARE_TOKA
Quanto dureranno le fonti di energia convenzionali?
Il deficit ( shortfall) di energia rispetto al valore richiesto
dovrà essere fornito con fonti alternative
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Vantaggi e svantaggi delle fonti alternative rispetto alle fonti di energia fossili
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35%
Quale tipo di energia consumiamo sul pianeta ?
21%
23%
11%
6,7%
petrolio
gas
carbone
nucleare
2,4%
idro
biomassa
L’ 80 % di tutta l’energia mondiale proviene da fonti
fossili ( petrolio + gas + carbone )
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distribuzione in % dei giacimenti di gas
distribuzione in % dei giacimenti di petrolio
65,1
37,8
35,0
6,0
4,9
nord
america
M. Usai
7,0
9,6
4,6
centro
sud
america
3,5 6,3
7,4
4,2
1,8
europa
ex unione
sovietica
medio
oriente
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africa
6,9
estremo
oriente
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Quale prezzo paghiamo nell’uso delle fonti fossili ?
• Piogge acide prodotte dall’immissione nell’atmosfera di Zolfo
• Continuo aumento della concentrazione dell’anidride carbonica
(CO2)
Aumento dell’effetto serra
CO2 [ppm]
350
330
310
290
270
1000 1200
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1400 1600 1800 2000
anno
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Effetto serra
•
•
•
•
Aumento della temperatura della superficie terrestre
Aumento delle precipitazioni
Diminuzione dei ghiacciai
Crescita del livello del mare
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Energia e fusione: le sfide del futuro
Si prevede che il fabbisogno mondiale di energia
•aumento del 50% del valore attuale nei prossimi 30 anni e che
• raddoppi nei prossimi 50 anni,
a causa di:
• aumento della popolazione e
• aumento dei consumi pro capite.
Il massimo aumento della domanda presumibilmente verrà dai
paesi in via di sviluppo come la Cina e l’India.
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Linee guida attuali
• Utilizzare meno petrolio e più gas e/o carbone
• Ricorrere ad una rigorosa politica di uso intelligente dei
combustibili
• Sviluppare tutte le tecnologie che non producono CO2.
Una soluzione alternativa
potrebbe essere
La fusione termonucleare controllata
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L'Europa, come le altre zone del mondo industrializzato, ha
poche risorse proprie che consentono di produrre energia
senza emissioni di gas a effetto serra. Per arrestare il
continuo aumento della dipendenza dall'energia importata,
occorre mettere a punto nuove fonti di energia pulita.
Si prevede che la fusione termonucleare controllata come
fonte di energia, sarà realizzabile entro la metà del secolo
(2050).
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L’obiettivo finale dell’uso del processo fisico della
fusione termonucleare controllata
sarà quello di
•
•
sostituire le centrali termoelettriche per coprire l’aliquota
più alta della richiesta di energia (fondamentalmente quasi
tutta la base di richiesta costante dei diagrammi di carico)
e
assumere un ruolo significativo nell'offrire una soluzione
sostenibile e sicura al fabbisogno di energia dell'Europa e
del mondo.
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Vantaggi della fusione
• La fusione presenta alcuni vantaggi significativi per le
considerazioni ambientali, operative e di sicurezza. Le risorse di
combustibile di base richiesto (Deuterio e Litio) sono abbondanti
e si trovano praticamente ovunque sulla Terra;
• Il residuo della fusione è l‘Elio e come i combustibili di base, non
è radioattivo;
• Il combustibile intermedio (Trizio) viene prodotto dal Litio nel
mantello del reattore. Il Trizio è un materiale radiattivo.
Ma per il funzionamento giornaliero di una centrale elettrica a
fusione la quantità richiesta è limitata, per cui non è necessario
organizzare il trasporto di materiale radioattivo.
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Vantaggi della fusione
• L'energia di fusione costituisce una fonte di energia
sostenibile, su grande scala.
• Rispetto alla energia eolica, solare e delle maree ha il
vantaggio di essere indipendente dalle condizioni climatiche e
consente un'erogazione continua su tutto l'arco di tempo
giornaliero e annuale.
• I raggi beta β generati negli impianti a fusione nucleare,
possono essere assorbiti dagli strati più esterni della pelle
umana e così generalmente non sono pericolosi per la vita a
meno che la sorgente non venga inalata o ingerita. In questo
caso i danni sarebbero invece maggiori di quelli causati da
qualsiasi altra radiazione ionizzante. Se il dosaggio fosse
abbastanza elevato comparirebbero tutti i sintomi tipici
dell‘avvelenamento per radiazione.
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Capacità di penetrazione dei raggi alfa α, beta β e gamma γ
I raggi alfa α ( nuclei: 2
protoni+ 2 neutroni)) e
beta β (elettroni) propagandosi
vengono deviati in direzione
opposta essendo cariche con
polarità opposte.
Mentre i raggi gamma γ
(radiazioni elettromagnetiche) si
propagano senza deviazione,
non essendo carichi
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Vantaggi della fusione
• Il 90% delle scorie hanno una bassa radioattività che si
esaurisce in 12,5 anni.
Si riduce anche il problema sociale e politico dello stoccaggio,
mentre l'attuale fissione nucleare produce scorie ad altissima
radioattività che impiegano 100.000 anni per esaurirsi e quindi
un lungo periodo di tempo che coinvolge molte generazioni
future.
• Le centrali a fusione producono un gas di scarico non
radioattivo (l'elio) e non producono gas ad effetto serra che
influisce sul riscaldamento globale.
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Svantaggi della fusione
Attualmente non è ancora possibile controllare il processo della
fusione nucleare e
l’obiettivo
↓
da raggiungere è che le centrali a fusione nucleare abbaino
intrinseche caratteristiche di sicurezza, ossia
↓
dovranno essere impossibili gli incidenti di:
•runaway ( perdita del controllo del processo) o di
•meltdown (danneggiamento del cuore del reattore per sovratemperatura)
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Svantaggi della fusione
Il Trizio (simbolo 3H o T, detto anche idrogeno-3) è un isotopo
radiativo dell’idrogeno con un nucleo formato da 1 protone e
2 neutroni.
In condizioni standard di pressione e temperatura il Trizio forma un
gas di molecole biatomiche (T2).
Il trizio (T) è radioattivo, con tempo di dimezzamento di circa 12,5
anni. La sua disintegrazione comporta l'emissione di particelle β e la
trasformazione in elio-3.
La radiazione beta β a bassa energia emessa dal decadimento del trizio
non penetra nel corpo umano attraverso la pelle (in realtà penetra solo
in uno strato sottile più esterno della pelle) e quindi il trizio è dannoso
soprattutto se ingerito od inalato.
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Svantaggi della fusione
L’agenzia statunitense US Enviromental Protection Agency afferma che la
dispersione di trizio radioattivo nell'ambiente fa aumentare il rischio di sviluppare il
cancro. In Virginia il Trizio radiativo si è infiltrato nelle acque
sotterranee dove esistono due centrali nucleare commerciali.
Ma il trizio radioattivo non è stato ritrovato solo nel terreno sotto le due centrali in
Virginia, lo si è rivelato perché disperso anche in 48 delle 65 centrali nucleari
americane nel corso della loro storia operativa.
Le perdite da 37 centrali hanno superato i limiti federali sulle norme relative
all'acqua potabile.
Il trizio radioattivo si disperde dalle centrali nucleari per inquinare l'ambiente a
causa dalla corrosione dei tubi interrati, così come dagli impianti che portano
l'acqua utilizzata per raffreddare i reattori.
Bere acqua con trizio radioattivo addizionato in quantità con percentuali consentite
dai limiti di legge, rischia comunque di sviluppare il cancro in 7 casi su 200 mila.
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La fusione
Il fenomeno fisico naturale della fusione avviene continuamente nel
sole e nelle stelle.
Gli atomi degli elementi leggeri, come l'idrogeno, che si trovano al
centro del Sole, con temperature di circa 15 milioni di gradi Celsius
( 15 106 C°) e pressioni gravitazionali elevatissime, si scontrano e
si fondono. Per via delle grandissime dimensioni del Sole, questo
processo produce grandi quantità di energia.
Sulla Terra, gli scienziati hanno costruito apparati capaci di
produrre temperature 10 volte più elevate di quelle presenti
all'interno del Sole, per rendere possibile l'uso della fusione come
fonte energetica utilizzabile sulla Terra.
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Alle alte temperature gli atomi diventano completamente
ionizzati - ossia gli elettroni e i nuclei atomici si separano,
formando uno stato della materia chiamato plasma.
Il plasma , al contrario dei gas, per la sua costituzione è molto
sensibile ai campi magnetici.
Aspetto negativo delle alte temperature richieste per
ottenere il plasma.
Quando il gas viene riscaldato a temperature superiori ai 150
milioni di gradi Celsius per generare il plasma e produrre
energia esso deve essere contenuto e regolato, infatti a queste
temperature non esistono materiali che possano entrare in
contatto con il plasma senza danneggiarsi irrimediabilmente.
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Poiché il plasma, contrariamente ai gas, è molto sensibile ai
campi elettromagnetici esso può essere contenuto e regolato
mediante potenti campi magnetici.
La sfida della ricerca attuale per la fusione nucleare
consiste
nell'utilizzare le conoscenze scientifiche e tecnologiche sul
fenomeno della fusione, per confinare e regolare il plasma per
poter usufruire di una fonte di energia affidabile, sicura,
rispettosa dell'ambiente e producibile in grandissima quantità.
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La ricerca scientifica ha sviluppato gli studi sulla fusione nucleare,
già nei primi decenni del 1900, in seguito alla scoperta del
fenomeno legato alla energia liberata dalla reazione di fusione di
nuclei di elementi leggeri.
La fusione nucleare è stata studiata per scopi bellici e per scopi
pacifici.
L’importanza dello studio per l’applicazione di questa tecnologia fu
percepita da diversi paesi europei e nel 1985 Gorbaciov ipotizzo un
progetto per la realizzazione di una centrale a fusione nucleare .
Oggi sono coinvolti nel progetto 34 governi (più della metà della
popolazione mondiale) e si prevede nella migliore delle ipotesi di
poter produrre energia elettrica con questo tipo di centrali solo nel
2027.
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• Nel 1985 Gorbaciov propone a USA, Europa e Giappone il progetto per
costruire un nuovo reattore per lo sviluppo della fusione per scopi pacifici, il
progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
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Breve storia della ricerca nel campo della fusione nucleare
• I primi studi risalgono agli anni 20-30 del ventesimo secolo
(Rutherford e altri)
• Negli anni 50 viene realizzata la fusione nella bomba H a reazione
termo-nucleare , messa a punto dal premio Nobel Andrej
Sacharov e Igor’ Tamm insignito del premio Nobel per la Fisica.
Essi progettano il primo Tokamak.
• Nel 1962 A. Sacharov protestò con il segretario del partito
comunista Nikita Chruscev per una nuova serie di esperimenti
atomici che riteneva ingiustificati e non necessari, ma non venne
ascoltato. Da allora il fisico divenne uno scienziato dissidente.
• Negli anni 60-70 lo studio della fusione si è diffuso presso tutti i
maggiori paesi industrializzati. Allora si prometteva che dopo 30
anni sarebbe diventata l’energia del futuro. In particolare il trattato
EURATOM (European Atomic Energy Community) ha istituito la
Comunità Europea dell‘Energia Atomica (Euratom stata istituita
nel 1957 ed è operativa da giugno 1960).
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• La Comunità Europea dell‘Energia Atomica (EURATOM) è
stata inizialmente istituita per coordinare i programmi di ricerca
degli Stati Membri per l'uso pacifico dell'energia nucleare. Oggi
essa aiuta a raggruppare le conoscenze, le infrastrutture, e il
finanziamento dell'energia nucleare e garantisce la sicurezza
dell'approvvigionamento dell'energia atomica nel quadro di un
sistema di monitoraggio centralizzato.
• Negli anni 70 l’ENEA realizza nei laboratori di Frascati il primo
Tokamak FT (Frascati Tokamak) operativo dal 1977 e il FTU
(Frascati Tokamak Upgrade).
• Nel 1978 inizia la realizzazione del JET (Joined European
Torus) il primo Tokamak costruito dalla Comunità Europea, che
ottiene ottimi risultati.
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JET (Joined European Torus) Oxford UK nel centro
UKAEA United Kingdom Atomic Energy Autority
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• Il 5 Febbraio 2007 Giappone ed EURATOM hanno firmano un
accordo di collaborazione per attività comuni nel campo delle
ricerche sulla energia da fusione nucleare.
• L’ENEA è l’unica interfaccia italiana con EURATOM e, sulla
base di una delibera del CIPE del 1983, coordina e pianifica,
attraverso specifici accordi di collaborazione o di associazione
con altri organismi di ricerca nazionale, tutte le ricerche nel
campo della fusione attraverso il Contratto di Associazione
EURATOM-ENEA.
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Le ricerche coordinate dall’ENEA sono svolte in collaborazione
con:
• il CNR (Istituto di Fisica del Plasma di Milano),
• il Consorzio RFX di Padova,
• il Politecnico di Torino,
• il Consorzio CREATE (Università di Cassino, Napoli e Reggio
Calabria),
• l’Università di Catania e
• le Università di Roma Tor Vergata e La Sapienza.
Il gruppo di ricerca dell’Associazione EURATOM-ENEA è, per
volume di attività, secondo solamente a quello tedesco. Nella
collaborazione europea riveste particolare rilevanza la gestione
comune del grande esperimento di fusione JET (Joint European
Torus-Regno Unito), in cui l’ENEA ha un ruolo importante.
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EURATOM partecipa, attraverso l’Agenzia Europea Fusion for
Energy (F4E), alla realizzazione del progetto internazionale ITER
per lo sviluppo dell’energia da fusione, che vede attualmente
coinvolti l’UE Unione Europea, la Federazione Russa, gli Stati
Uniti, il Giappone, la Cina, l’India e la Corea del Sud.
L’ENEA è inoltre presente nell’ Advisory Committee
dell’EURATOM Supply Agency, operativa dal 1960, che agisce
sotto la supervisione del Commissario Europeo per l’Energia. La
missione dell’Agenzia è quella di garantire che tutti gli utenti della
UE godano di un regolare ed equo approvvigionamento di minerali
e combustibili nucleari (materie grezze e materiali speciali fissili).
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Nel 2006 si avvia operativamente il progetto ITER
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Attualmente il progetto ITER, come si vede nella mappa mondiale che
mostra i paesi coinvolti e coordinati dal programma europeo, si pone
come la più importante collaborazione scientifica internazionale ed è un
punto di riferimento per il mondo scientifico.
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I futuri sviluppi della fusione a confinamento magnetico:
•il progetto internazionale per la costruzione di un reattore nucleare,
ITER (International Thermonuclear Experimental), la cui
costruzione sorgerà in Francia a Caradache (Provenza), e
•gli studi sul reattore commerciale a fusione .
Parallelamente vengono compiuti studi sulle applicazioni industriali
e tecnologiche dei plasmi, che vengono svolti in diversi centri di
ricerca (in Italia presso il Consorzio RFX a Padova e i centri di
ricerca dell’ENEA) .
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Per ottimizzare il funzionamento dell’ITER la ciambella
dell’ITER ha una sezione a forma della lettera D.
Il limite principale per l’applicazione dei Tokamak è legato alla
potenza dei campi magnetici.
Quando si riuscirà a produrre magneti sufficientemente potenti
i tokamak diventeranno reattori in grado di produrre enormi
quantità di energia. Per ottenere campi magnetici intensi
occorre realizzare bobine che possano essere attraversate da
correnti elevate e per questo motivo si cerca di realizzarle con i
superconduttori che lavorano a temperature molto basse ( fisica
della criogenia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
Tokamak foundations
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
Impianto previsto per il 2016-2018
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
Sezione del Tokamak
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ITER (International Thermonuclear Experimental), Caradache (Francia)
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Alcuni numeri significativi per comprendere l’enormità del
progetto:
•150.000.000 °C temperatura necessaria per innescare la fusione
•13 T (tesla) è il campo magnetico richiesto per contenere la
reazione, pari a 260.000 volte quello terrestre
•23000 t (tonnellate) il peso degli elementi da assemblare
•500 numero dei ricercatori che lavorano all’ITER
•15 miliardi di euro è il costo totale presunto per raggiungere gli
obiettivi progettuali
•15 miliardi di euro è il costo presunto di gestione annuale
dell’impianto
•20 anni la vita prevista per il reattore a fusione ITER
(tempo entro il quale si dovrebbero ammortizzare i costi)
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Il programma europeo di ricerca sulla fusione
Tutta la ricerca sulla fusione in Europa è coordinata dalla
Commissione europea e i finanziamenti sono erogati tramite
l'Euratom (Comunità europea dell'energia atomica), che fa
parte dei Programmi quadro comunitari di ricerca e sviluppo
tecnologico.
Il trattato che ha istituito l’Euratom è stato stipulato nel 1957 con
l'obiettivo di coordinare la ricerca e la formazione nel nucleare
nell'ambito della Comunità europea dell'energia atomica.
Il programma è quindi totalmente coordinato e integrato a livello
europeo. Esso viene attuato mediante due meccanismi
principali: Contratti di associazione tra Euratom e Stati membri
UE (o organizzazioni di tali Stati) e Stati terzi associati con
l'Euratom.
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Il programma europeo di ricerca sulla fusione
L'Accordo europeo sullo sviluppo della fusione (EFDA)
coordina le attività tecnologiche, l'utilizzazione scientifica
del JET (Joint European Torus) e i contributi europei alle
collaborazioni internazionali.
In questo ambito l'attenzione è concentrata principalmente
sul contributo europeo al progetto internazionale sulla
energia di fusione: ITER.
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Lo schema concettuale per le future centrali elettriche a fusione
si basa sulle linee di ricerca attuali; in particolare il Tokamak,
che a scopo dimostrativo ha già generato per pochi secondi
energia pari a 16 MW.
Problema
I meccanismi della fusione non sono ancora abbastanza
conosciuti per una dimostrazione scientifica e tecnologica
esaustiva della fusione, anche se la Ricerca Scientifica per la
tecnologia richiesta per costruire una centrale elettrica
commerciale sta andando avanti.
L'approccio coordinato e collaborativo adottato dall'Europa ha
reso possibile l'attuazione di progetti congiunti, che è culminata
con il JET (Joint European Torus) sito ad Abingdon (Regno
Unito).
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Sito del JET (Joint European Torus) ad Abingdon
vicino ad Oxford nel Regno Unito.
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Il volume del plasma nel jet raggiunge
circa 150 metri cubi
Nella prima figura è riportata una
immagine dell’interno del JET.
Si noti la sezione non è quella circolare
del toro ma è stata modificata a forma
di D per favorire il prelevamento delle
impurità del processo di fusione nella
parte inferiore dove è stato inserito il
divertore.
Nella seconda figura è interessante
vedere l'immagine della macchina
precedente con il plasma riscaldato al
suo interno che diventa luminescente.
M. Usai
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JET (Joint European Torus)
Reattore Tokamak visto dall'esterno con
tutti i collegamenti alle molte e sofisticate
apparecchiature
per il controllo dell’intero sistema.
Il Jet è ancora il più potente al mondo.
Il JET essendo molto complesso, sofisticato
e costoso e richiede tante competenze
eccellenti e finanziamenti elevati.
Per questi motivi attualmente ogni Stato
membro non può intraprendere
autonomamente la costruzione.
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Il JET attualmente è la sola macchina in grado di funzionare con il
combustibile composto da deuterio e trizio che si intende
utilizzare nelle future centrali elettriche commerciali a fusione.
Circa 2000 tra scienziati e tecnici lavorano attualmente alla
necessaria gamma di progetti nel campo della fisica e della
tecnologia della fusione in più di 30 laboratori sparsi negli Stati
membri e nei paesi associati.
Questa operazione congiunta e coordinata ha dato vita a un
modello di “Spazio Europeo della Ricerca” ed ha collocato
l'Europa all'avanguardia mondiale nella ricerca sulla fusione.
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Dimensioni a confronto degli impianti ITER e JET
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Reattore ITER: componenti principali
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Percentuale dei costi previsti
L’Italia con l’ ENEA , ha realizzato i superconduttori per le bobine superconduttrici,
dell’ITER, che rappresentano la parte fondamentale del sistema per la realizzazione
del reattore e, come riporta il grafico, la più costosa.
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ITER - la prossima fase
ITER - come “itinerario” - è un progetto internazionale di ricerca
e sviluppo concepito per compiere il grande passo successivo
nello sviluppo dell'energia di fusione, prendendo come punto di
partenza le conoscenze fisiche costituite e la tecnologia
collaudata. L’ITER rappresenta il primo progetto completo
dell'impianto di fusione con le dimensioni di una centrale
elettrica convenzionale.
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ITER - la prossima fase
Negli ultimi dieci anni, l’ITER è diventato un piano ingegneristico
dettagliato, pronto ad essere costruito, per cui i modelli o
prototipi dei principali componenti tecnologici sono stati
costruiti dall'industria e sono stati collaudati sotto tutti gli
aspetti. In base a questa esperienza, l'industria ha valutato i
costi di costruzione in maniera approfondita.
Attualmente si sta procedendo all’assemblaggio delle diverse parti.
La collaborazione internazionale necessaria per produrre le
specifiche progettuali di ITER ha utilizzato un meccanismo
inedito poiché ha coordinato questo progetto di grande
impegno tecnico riunendo formazioni multiculturali e
geograficamente disperse.
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Cooperazione mondiale
Esistono pochi ricercatori in grado di coordinare e
comprendere tutte le problematiche inerenti l’intero
impianto che sarà realizzato per produzione di energia
utilizzando il processo della fusione nucleare.
Questo risultato scientifico ragguardevole è stato reso possibile
dall'intervento dei maggiori scienziati e tecnici appartenenti
a centri di ricerca, a università e a imprese industriali di tutto
il mondo, che hanno costituito una compagine forte di
centinaia di addetti, nell'ambito di una collaborazione
strettamente subordinata alla logica del progetto.
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Per costruire e far funzionare l’ITER sarà necessaria una
collaborazione di livello mondiale.
Per la costruzione dell'impianto sono stati proposti siti su tre
continenti. Unione europea, Canada, Giappone, Federazione
Russa e, dal 2003, Stati Uniti d'America, Repubblica popolare
cinese e Repubblica di Corea, sono impegnati nei negoziati con
cui sarà organizzata l'attuazione del progetto.
Si prevede che saranno coinvolti anche altri paesi interessati.
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I negoziati per la progettazione dell’ITER riguardano:
• la costruzione,
• il funzionamento e
• la dismissione di ITER, ma anche voci come
• la divisione dei costi,
• la struttura direttiva,
• i diritti di proprietà intellettuale e
• il sito.
Le attività tecniche di sostegno continuano a mantenere l'integrità
del progetto, studiano gli adattamenti progettuali per particolari
siti e avviano i preparativi per l'elaborazione della
documentazione per la concessione della licenza.
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Energia di fusione
Il progetto ITER comprenderà
gran parte delle soluzioni
tecnologiche necessarie per
una futura centrale elettrica a
fusione. Il tokamak ITER, alto
24 metri e largo 30 metri, sarà
più piccolo di una centrale
elettrica convenzionale.
uomo
Produrrà energia termica con una potenza massima di 500 MW,
in un plasma di fusione toroidale con un volume di 800 m3
contenuto mediante forti campi magnetici. L'impianto offrirà
una dimostrazione della produzione di energia per una durata
prolungata, nella prospettiva finale di un funzionamento a
regime costante.
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Il reattore ITER produrrà energia in quantità da 5 a 10 volte
superiore alla quantità necessaria per mantenere il
plasma a temperatura di fusione (150 milioni di gradi
Celsius), dimostrando in tal modo la fattibilità
dell'energia di fusione e della “combustione” continua.
Fisici ed ingegneri potranno sviluppare e ottimizzare le
tecnologie, i componenti e le strategie di regolazione per
le successive centrali a energia di fusione.
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Strategia a lungo termine:
Produzione commerciale di energia
Secondo la programmazione prevista per la produzione di
energia di fusione, la produzione commerciale sarà
disponibile entro 50 anni.
Dopo ITER sono previste due ulteriori generazioni di
macchine sperimentali:
DEMO sarà utilizzato per dimostrare tutte le tecnologie che
accompagnano il reattore e per produrre, per la prima
volta, quantità significative di elettricità a partire
dall'energia di fusione; mentre
PROTO funzionerà come un prototipo di centrale elettrica,
che integrerà gli eventuali dettagli tecnologici restanti e
dimostrerà la fattibilità della produzione elettrica a titolo
commerciale.
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Accelerazione degli studi per la fusione
Un recente studio di esperti ha elaborato un'impostazione
“accelerata” che potrebbe dimostrare la fattibilità
tecnica dell'energia di fusione su un arco di tempo di 2530 anni, a partire dalla costruzione del sistema ITER.
Per ottenere questo risultato, occorre eseguire in parallelo
fasi di ricerca sequenziali, come la realizzazione
congiunta dell'IFMIF (International Fusion Materials
Irradiation Facility) nel contesto della cooperazione
internazionale, mentre alcune delle sperimentazioni
tecnologiche previste per DEMO dovrebbero essere
integrate nell'esperimento ITER.
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Accelerazione degli studi per la fusione
Si possono individuare due fasi internazionali di ricerca che
saranno sviluppate e coordinate parallelamente :
L’IFMIF è finalizzato al progetto, sviluppo, costruzione e test di
un prototipo di acceleratore a energia ridotta, da costruire in
Europa e installare in Giappone. In particolare sviluppa studi e
ricerche per ottimizzare e testare materiali da sottoporre a
sollecitazioni estreme tipiche in prossimità del plasma per un
reattore a fusione.
All’ITER seguirebbe un unico esperimento DEMO/PROTO, che
produrrebbe un prototipo credibile di reattore a fusione per la
produzione di energia elettrica.
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Le due fasi internazionali di ricerca con la realizzazione congiunta dell'IFMIF
integrato nell'esperimento ITER, saranno sviluppate e coordinate parallelamente,
A queste due fasi seguirà un unico esperimento DEMO/PROTO
DEMO/PROTO
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Le organizzazioni impegnate in attività di progettazione IFMIF
EU
Commissariat à l'Energie Atomique (CEA, France)
Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e L'Ambiente (ENEA,Italy)
Forschungszentrum Karlsruhe (FZK,Germany)
Institut fur Angewandte Physik-Universitat Frankfurt (IAP,Germany)
JAPAN
Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)
RUSSIAN FEDERATION
Institute for High Energy Physics (IHEP)
USA
Argonne National Laboratories (ANL)
Los Alamos National Laboratories (LANL)
Oak Ridge National Laboratories (ORNL)
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IFMIF: schema di funzionamento
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Recentemente L’EURATON, considerati:
• i ritardi accumulati nelle scadenze delle fasi di ricerca sui
materiali che avrebbero dovuto rivestire il contenitore del
plasma e
• la forte lievitazione dei costi di questa fase della ricerca
rispetto a quelli preventivati,
↓
ha stabilito di bypassare questa fase di ricerca sui materiali con
alta percentuale di grafite e realizzare i materiali dei componenti
che si affacciano sul plasma (prima parete interna del contenitore
e divertore) in tungsteno, che attualmente è il materiale più
resistente alle alte temperature.
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Evoluzione e sviluppo della tecnologia della fusione nucleare
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Evoluzione e sviluppo della tecnologia della fusione nucleare
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Il programma europeo di ricerca sulla fusione
Il programma europeo è quindi totalmente coordinato e integrato a
livello europeo.
Esso viene attuato mediante due meccanismi principali: Contratti
di associazione tra Euratom e Stati membri UE (o
organizzazioni di tali Stati) e Stati terzi associati con l'Euratom.
Tutti gli Stati membri partecipano in questo modo, oltre alla
Svizzera (dal 1979) e più recentemente la Repubblica ceca,
l'Ungheria, la Lettonia e la Romania. I ricercatori della
Bulgaria, della Repubblica slovacca e della Slovenia
partecipano a più riprese nell'ambito di contratti a termine
relativi a progetti specifici.
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The European Fusion Development Agreement (EFDA)
L‘EFDA o European Fusion Development Agreement
(Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione) è un accordo tra
le istituzioni europee di ricerca sulla fusione e la Commissione
europea per rafforzare il loro coordinamento la collaborazione, e
la partecipazione ad attività collettive.
Le sue attività includono il coordinamento delle fisica e della
tecnologia nei laboratori dell'Unione europea, lo sfruttamento del
più grande esperimento del mondo fusione, il Joint European
Torus (JET) nel Regno Unito, la formazione e lo sviluppo della
carriera dei contributi dell'Unione europea e fusione alle
collaborazioni internazionali.
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L‘EFDA o European Fusion Development Agreement
(Accordo Europeo sullo Sviluppo della Fusione) fa parte del
programma europeo EURATON (European Atomic Energy
Community) della commissione europea.
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Collaborazione
ITER è una collaborazione multinazionale tra paesi coinvolti nella
ricerca sulla fusione a livello mondiale. Si basa sul consenso tra
tutti i partecipanti. In un certo modo, estende al mondo intero il
modello di ricerca e sviluppo europeo che ha avuto successo
nel programma Euratom (The European Atomic Energy
Community) sulla fusione con JET.
Studi concettuali e di ingegneria per ITER hanno portato ad un
disegno progettuale dettagliato, finalizzato nel 2001. Questo
disegno è stato sostenuto da un grande programma di ricerca
che ha stabilito la fattibilità pratica di ITER e ha coinvolto
l’industria per la costruzione di prototipi in scala reale dei
componenti fondamentali di ITER. I risultati positivi dei test su
questi componenti, come i magneti superconduttori, hanno dato
uno slancio importante alla fiducia nel progetto.
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Oltre a scienziati e ingegneri della fusione, il progetto ITER
richiederà una vasta gamma di personale altamente qualificato.
Le sfide
La costruzione e il funzionamento di ITER sono una sfida
internazionale di alto livello per la scienza, l’ingegneria e la
tecnologia, perché si lavora al limite della conoscenza umana.
Questa sfida è basata sugli esperimenti di fusione più
importanti, come il JET di Euratom, JT-60 in Giappone e il
TFTR negli Stati Uniti, e gli esperimenti di fusione nel
programma Euratom: tutti hanno fornito esperienza e dati
sulla fisica e tecnologia della fusione in preparazione a ITER.
La sfida scientifica è grande e fortemente alimentata dal bisogno
globale di fonti di energia pulita e sostenibile.
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Joint European Torus (JET)
Culham Science Centre, Abingdon Oxfordshire OX14 3DB United Kingdom
da.org/contact-us/location-map/
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Ubicazione
ITER a Cadarache ( Provenza- Francia)
Il reattore ITER sarà costruito presso il sito europeo prescelto, a
Cadarache nel sud della Francia. A Cadarache esiste già un
grande centro di ricerca per l’energia , del Commissariato per
l’Energia Atomica francese. Il contributo europeo al progetto
ITER sarà gestito da una organizzazione il cui quartier
generale si troverà a Barcellona, Spagna.
ITER è stato progettato in modo da poter essere costruito sul
territorio di uno qualsiasi dei paesi partecipanti. Il progetto
finale del reattore ha definito un elenco di criteri, che ogni
area scelta per l’ubicazione di ITER avrebbe dovuto
soddisfare.
M. Usai
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ITER è stato progettato in modo da poter essere costruito sul
territorio di uno qualsiasi dei paesi partecipanti. Il progetto
finale del reattore ha definito un elenco di criteri, che ogni
area scelta per l’ubicazione di ITER avrebbe dovuto
soddisfare.
Dopo parecchie discussioni, il sito di Cadarache è stato
selezionato da una lista di quattro possibili siti nel mondo. Il
sito di costruzione copre una superficie totale di circa 40
ettari, con altri 30 ettari disponibili per uso temporaneo
durante la costruzione. I requisiti fondamentali per il sito
ITER comprendevano una capacità di raffreddamento termico
di circa 450 MW e una fornitura di energia elettrica fino a
120 MW.
M. Usai
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Ubicazione
ITER a Cadarache ( Provenza- Francia)
Ubicazione del complesso di ITER
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Costi dell’Impianto
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La costruzione dell’ITER ha avuto inizio e si è programmato
che il primo plasma di ITER si accenderà nel 2016.
http://www.iter.org/
http://www.efda.org/
The European Fusion Development Agreement (EFDA)
http://www.efda.org/usercases/students_and_educators.htm
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Il costo presunto per la realizzazione dell’ITER era stato
supposto doppio rispetto al costo attuale della produzione di
energia con centrali termiche che utilizzano il petrolio come
combustibile, ma occorre tener conto che la disponibilità di
petrolio è in diminuzione ed è destinata ad esaurire.
Con il passare del tempo i reattori potranno diventare una vera
alternative per soddisfare richiesta di energia elettrica,
attualmente coperta dalle centrali tradizionali termiche.
M. Usai
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In termini macroscopici nelle centrali a fusione nucleare:
1kg di questo combustibile rilascia 108 kWh di energia e
dovrebbe provvedere alle richieste di una stazione di 1 GW di
potenza elettrica per un giorno.
M. Usai
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100
Disponibilità di risorse della fusione
• Il funzionamento di un reattore a fusione richiede una
miscela di combustibile di due isotopi dell’idrogeno:
deuterio (D) e trizio (T)
•
100 mg di miscela Deuterio- Tritio
producono una quantità di energia equivalente
↓
a quella producibile con una 1 tonnellata di carbone.
• Il Deuterio esiste in natura in quantità praticamente
illimitata: un litro d’acqua contiene circa 120 mg di D.
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Produzione di scorie primarie e secondarie
• Un reattore a fusione
produce come scoria
primaria: nuclei di He, un
gas “nobile” (poco
reattivo, non tossico,
esistente nell’atmosfera)
• Le scorie secondarie sono
costituite dalle strutture
metalliche del reattore che
si attivano nel periodo di
funzionamento.
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Finalità principale
La finalità principale dello sviluppo di questa tecnologia si
può riassumere in queste belle parole:
Con altre sorgenti energetiche, la fusione partecipa allo sforzo
che deve permettere di proporre alle generazioni future
qualcosa di meglio che una terra svuotata delle sue risorse
(principalmente petrolio e carbone) e ingombra dei suoi
rifiuti ( CO2 , scorie radioattive, etc..).
Si tratta allo stesso tempo di ragione e giustizia, dato che
questo proviene da chi ha consumato senza freno.
J.Waisse, IAEA (2002)
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Al di là dei bei propositi e delle belle parole lo
Stato Attuale della tecnologia
è schematizzabile nei seguenti punti fondamentali
• La fusione nucleare è realizzabile
• E’ un’energia pulita e disponibile in quantità praticamente illimitata
• E’ di interesse strategico per il mondo e in particolare per l’Italia che
ha poche altre risorse energetiche
• Ma i tempi attualmente previsti per i progetti per la sua realizzazione
sono troppo lunghi a causa di:
–
–
–
–
Investimenti insufficienti
Burocrazia
Tempi decisionali troppo lunghi
Pianificazione finalizzata più alla sperimentazione che al raggiungimento
di obiettivi concreti.
– Difficoltà di affrontare lo studio nella sua interezza. Il fenomeno della
fusione è dovuto a molti fenomeni fisici che avvengono in parallelo con
costanti di tempo diverse. Lo sviluppo della ricerca richiede alte
competenze che attualmente sono disponibili settorialmente. In altre
parole attualmente sono pochi i ricercatori che hanno le competenze
necessarie per studiare e valutare la complessità di tutti i fenomeni e in
grado di coordinare lo sviluppo della ricerca nella totalità degli aspetti.
M. Usai
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Al di là dei bei propositi e delle belle parole lo
Stato Attuale della tecnologia
è schematizzabile nei seguenti punti fondamentali
• E’ possibile accelerare i progetti di realizzazione facendo maggiori
investimenti, semplificando gli iter burocratici e finalizzando i progetti
al raggiungimento di obiettivi concreti in tempi brevi.
• Inoltre gli interessi economici in gioco sono enormi e tanti i paesi
interessati e questo complica ulteriormente lo sviluppo.
M. Usai
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Euratom - CEA (France, Cadarache)
Euratom - CIEMAT (Espagne, Madrid)
Euratom - Confédération Suisse
CRPP-Lausanne Euratom - DCU (Irlande))
DCU- Dublin
Italia
UCC -Cork
Euratom - ENEA (Italie)
ENEA-Frascati (FTU)
ENEA-CNR Milano
ENEA-Padoue (RFX)
Euratom - TEC (Groupement d'Association)
- Belgique Ecole Royal Militaire (Bruxelles)
SCK/CEN-Mol
- Pays-Bas FOM
NRG-Petten
- Allemagne FZJ-Jülich (TEXTOR)
Euratom - FZK (Allemagne, Karlsruhe)
Euratom - HAS (Hongrie, Budapest)
RMKI-KFKI-Budapest
KFKI-AEKI-Budapest
Euratom - République Hellénique (Grèce)
NTUA - National Technical University of Athens
Demokritos (Athènes)
The University of Ioannina,
Euratom - IPP (Allemagne, Garching)
Euratom - IPP-Prague (République Tchèque)
Euratom - IST (Portugual, Lisbonne)
Euratom - NASTI (Roumanie, Bucarest)
Euratom - NFR (Suède, Stockholm)
Alvén Laboratory-Stockholm
Chalmers-Göteborg
Euratom - ÖAW (Autriche, Vienne)
M. Usai
Le associazioni EURATOM
Institut für Allgemeine Physik-Vienne
University of Innsbruck,
Österreichisches Forschungszentrum-Seibersdorf,
Technische Universität Graz,
Atominstitut der österreichischen Universitäten-Vienne,
Euratom - RISOE (Danemark, Roskilde)
Euratom - TEKES (Finlande, Helsinki)
Euratom - UKAEA (UK, Culham
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E_TOKAMAK
106
Alcuni siti internet di maggiore interesse
• Consorzio RFX
http://www.igi.pd.cnr.it/
• Joint European torus (JET)
http://www.jet.uk/
• Max planck Institute for plasma physics (IPP)
http://www.ipp.mpg.de/
• ENEA
http://ftu.frascati.enea.it/
• CEA Cadarache
http://www-cad.cea.fr
M. Usai
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Indirizzi utili
ITER: http://www.iter.org/
EFDA: http://www.efda.org/
JET: http://www.jet.efda.org/
Dr. Rosa Antidormi & Christopher Ibbott
Direzione generale Ricerca
E-mail:
[email protected]
[email protected]
http://ec.europa.eu/research/energy/fu/article_1122_en.htm
Pubblicazione prodotta da:
Commissione europea
Direzione generale Ricerca
E-mail: Research DG contacts
http://ec.europa.eu/research
Unità Informazione e comunicazione
B-1049 Bruxelles
Fax: +32 2 295 82 20
M. Usai
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