Fusione Nucleare

La fusione nucleare è attualmente considerata una delle opzioni utili per garantire una fonte di energia di larga scala, sicura, rispettosa dell’ambiente e praticamente inesauribile.Tokamak.jpg

L’Italia è tra i pionieri della ricerca sulla fusione. Le attività, avviate già alla fine degli anni 50 nel Centro di Frascati, erano inizialmente dedicate alla sperimentazione sui plasmi e si sono poi evolute verso un complesso sistema di fisica, tecnologia e ingegneria che vede l’ENEA come protagonista e come coordinatore del programma nazionale. Tale programma, con un budget medio annuale di circa 60 M€, vede impegnati circa 600 tra ricercatori e tecnologi di ENEA, del CNR, del Consorzio RFX e di molte Università e Consorzi Universitari nello sviluppo di competenze di eccellenza di assoluto rilievo in ambito mondiale.

La ricerca sulla fusione in ENEA si concentra in particolare sul confinamento magnetico, con attivitá relative sia alla fisica dei plasmi sia allo sviluppo di tecnologie di rilevanza reattoristica, ma include anche attivitá sul confinamento inerziale. Le attività vengono svolte nel quadro del programma Euratom per la fusione che coinvolge i Paesi dell’Unione Europea e la Svizzera, e attraverso collaborazioni con numerosi Istituti e Universitá a livello internazionale.

Iter.jpgNell’ambito della sperimentazione di fisica per il confinamento magnetico, ENEA conduce esperimenti con il Frascati Tokamak Upgrade (FTU), un tokamak che consente di studiare plasmi a campi magnetici elevati e ad alta densità: FTU è la macchina per la fusione operante al più alto campo magnetico (8 T) e consente di studiare plasmi in condizioni fisiche non realizzabili in altre macchine.

In ambito tecnologico, fino dagli anni 80, nei laboratori ENEA di Frascati sono state sviluppate numerose tecnologie per la fusione, privilegiando le linee basate sulle conoscenze più consolidate all’interno dei laboratori e al tempo stesso passibili di un robusto coinvolgimento dell’industria nazionale anche per applicazioni più vaste di quelle specifiche per la fusione. Le linee sviluppate hanno riguardato in particolare i magneti superconduttori, i componenti ad alto flusso termico affacciati al plasma, i materiali, la manutenzione remota, la neutronica e i dati nucleari, la tecnologia dei metalli liquidi e la sicurezza.

Tratos.jpgLa ricerca sulla fusione vede impegnati tutti i Paesi tecnologicamente più avanzati (Europa, Giappone, USA, Russia, Cina, Corea e India) che hanno deciso, nell’ambito di una collaborazione internazionale, di concentrare il loro impegno in un programma comune orientato alla realizzazione del reattore a fusione sperimentale ITER, che produrrà 500 MW di potenza di fusione per 400 s, con un guadagno di potenza di un fattore 10. La costruzione di ITER, iniziata nel 2007 nel sito di Cadarache ITER, rappresenta una pietra miliare nello sviluppo dell’energia da fusione e di fatto determina una forte accelerazione del programma che prevede di arrivare al reattore commerciale tramite la realizzazione di un reattore dimostrativo DEMO.

L’ENEA partecipa attivamente alla realizzazione di ITER, contribuendo alla progettazione di molti componenti, alla definizione degli scenari fisici, alla progettazione di diagnostiche e di sistemi di riscaldamento del plasma. Grazie al know-how sviluppato, l’ENEA gioca un ruolo fondamentale nella costruzione di ITER operando in stretta collaborazione con l’industria. Anche grazie al coinvolgimento nel programma di ricerca sulla fusione, l’industria italiana si è giá aggiudicata le maggiori commesse per la costruzione dei componenti che costituiscono il cuore di ITER: i cavi superconduttori, la quota europea dei magneti superconduttori (9 bobine su un totale di 18) e della camera da vuoto (7 settori su 9) oltre ad altre commesse per un totale di 500 milioni di euro.

L’ENEA ha inoltre sviluppato, in collaborazione con l’industria, le tecnologie di giunzione per i componenti ad alto flusso termico (divertore), la tecnologia basata su radar ottico (luce laser) per metrologia in ambienti ostili. L’ENEA, in collaborazione con altri laboratori europei, partecipa alla realizzazione della Radial Neutron Camera, il sistema dedicato alla misura della potenza di fusione, e dei moduli di del mantello triziogeno di prova con test sul ciclo del combustibile (trattamento e riprocessamento del Trizio) e con analisi neutroniche e di sicurezza.

PrototipoIter.jpgL’Europa sta strutturando un programma di accompagnamento a ITER che dovrà ottimizzarne lo sfruttamento scientifico e fornire le necessarie informazioni per la definizione dei parametri per DEMO. A questo scopo ha firmato con il Giappone un accordo bilaterale di collaborazione più ampia, chiamato ‘Broader Approach’, per lo svolgimento di attività finalizzate allo sviluppo dell’energia da fusione. L’ENEA partecipa con i Centri di Frascati e del Brasimone ai progetti del Broader Approach, contribuendo alla realizzazione dei magneti superconduttori e del sistema di alimentazioni elettriche del tokamak JT60-SA, satellite di ITER, in costruzione in Giappone, del bersaglio in litio della sorgente di neutroni International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF) per lo sviluppo dei materiali per il reattore a fusione, e alla realizzazione del centro internazionale di ricerca sulla fusione (IFERC). L’impegno complessivo per queste attività è di circa 50 milioni di Euro.

L’ENEA, considerando di prioritaria importanza lo sviluppo della fusione nucleare ha elaborato per i prossimi anni, insieme agli altri Enti e Gruppi universitari che fanno parte dell’Associazione Euratom ENEA sulla fusione, un programma di attivitá che, tenendo conto della costruzione di ITER, del Broader Approach e del relativo programma di accompagnamento europeo, si fonda sui seguenti punti fondamentali:

  • la realizzazione di DTT (Divertor Tokamak Test), un’infrastruttura di importanza strategica nella “road map” verso la produzione di energia da processi di fusione nucleare. Infatti DTT si propone come anello di collegamento tra i grandi progetti internazionali ITER e DEMO;
  • la partecipazione con le industrie alla costruzione di ITER;
  • la partecipazione alle attività previste dal “Broader Approach”.

Il progetto DTT è stato concepito in ENEA e si avvale della collaborazione delle Università e degli altri Enti di ricerca Italiani, circa 15 sono le istituzioni coinvolte. DTT nasce per affrontare una delle missioni cruciali per la realizzazione del reattore e questo è fatto con il supporto e il coordinamento del consorzio EUROfusion che colloca la missione di DTT a fianco di ITER e nel cammino verso la realizzazione del prototipo di reattore DEMO,  in cui occorrerà gestire l’enorme flusso di calore che si riverserà sulle pareti esterne trasportato dalle particelle cariche. Infatti, mentre il confinamento nel cuore del reattore sarà il risultato delle linee di campo magnetico che formano un insieme di superfici magnetiche chiuse e concentriche, alla periferia del plasma una sottile regione (spessore dell’ordine del millimetro) avrà linee di campo magnetico aperte che condurranno particelle e calore diritte sul dispositivo creato per “sopportarne il carico”: il divertore. Il calore atteso sul divertore è superiore a 10 milioni di Watt per metro quadrato, confrontabile con quello della superficie del Sole. Le soluzioni offerte dalla tecnologia attuale non sono in grado di raggiungere questi livelli di potenza specifica. DTT sarà in grado di provare nuove e diverse configurazioni e materiali per il divertore nonchè ottimizzare la forma delle linee di campo in prossimità delle superfici di smaltimento del calore. Ovviamente si dovrà dimostrare che le prestazioni sulla capacità di smaltimento del calore saranno raggiunte senza alcun degrado del buon confinamento del combustibile all’interno. DTT sarà il principale tokamak Europeo e il più completo e flessibile esperimento al mondo per affrontare e risolvere il problema dello smaltimento del calore residuo: nel 2025 è previsto il primo plasma, in circa 5 anni arriverà a lavorare a piena potenza.

Le principali attività di ricerca e sviluppo riguardano:

 

Materiale di approfondimento

Riferimenti

Divisione Fisica della Fusione

Dr. Angelo Tuccillo
Responsabile


Divisione Ingegneria Sperimentale

Ing. Mariano Tarantino
Responsabile


Divisione Sicurezza e Sostenibilità del Nucleare

Ing. Paride Meloni
Responsabile


Divisione Tecnologie Fusione Nucleare

Ing. Giuseppe Mazzitelli
Responsabile