Project area

Plasmi e Fusione (DFM.AD007)

Department

Physical sciences and technologies of matter

The quality

La Fisica del Plasma e le sue numerose applicazioni tra cui la tecnologia d'avanguardia per la realizzazione del reattore a fusione ostituiscono un'area di ricerca estremamente ampia, sempre più pervasiva ed interdisciplinare e che sollecita l'interazione con altri settori della Fisica, della Chimica, dell'Ingegneria e recentemente della Biologia quali la Fisica nucleare, quella delle alte energie, l'astrofisica, la scienza dei materiali, le applicazioni biomedicali e nel settore agrifood.
L'AP "Plasmi e Fusione" rappresenta l'insieme delle competenze di natura teorica, modellistica, sperimentale e tecnologica alla base delle molteplici ricerche condotte nel CNR e in particolare nel DSFTM nel campo della Scienza dei plasmi, siano essi di laboratorio o spaziali, rarefatti o compressi, freddi o termonucleari.
Le attività in corso ricomprese nell'AP e condotte dai Ricercatori del CNR, in gran parte effettuate nell'ambito di collaborazioni internazionali e finanziate da grant nazionali ed europei, riguardano: la Fisica e le tecnologie della fusione termonucleare controllata (FTC), tra cui i sistemi di riscaldamento e di diagnostica dei plasmi; la progettazione, realizzazione e operazione di impianti per la FTC, l'interazione laser-materia e laser-plasmi, sia per applicazioni alla fusione inerziale sia allo sviluppo di acceleratori compatti di elettroni e ioni e di sorgenti di radiazione di nuova generazione; i plasmi per l'aerospazio e spaziali; il trattamento al plasma di superfici materiali e lo sviluppo di materiali innovativi; applicazioni dei plasmi nei settori ambiente, biomedicale, energetica, astrochimica e beni culturali.
Grande rilievo hanno nell'AP lo sviluppo e utilizzo di modelli e codici numerici avanzati per ricerche sulla teoria fondamentale dei plasmi, per lo sviluppo delle tecnologie applicate ai plasmi (es., diagnostiche, sistemi di riscaldamento, controlli), e a scopo predittivo ed interpretativo dei dati sperimentali in tutti i settori applicativi.

Goals

Obiettivo dell'AP è di integrare e coordinare le competenze del CNR sulla Fisica del Plasma e sulle sue applicazioni per utilizzarle con efficacia nell'affrontare le sfide poste dai bandi competitivi nazionali ed europei nei settori della FTC, dell'aerospazio, ambiente, energetica, beni culturali, e le richieste di supporto scientifico e tecnologico da parte di aziende che utilizzano le tecnologie al plasma.
Le ricerche sulla FTC si inseriscono nei programmi di EURATOM, attraverso ENEA, dell'agenzia europea Fusion for Energy (F4E) e della ITER International Organization, e mirano a realizzare il reattore sperimentale ITER e ad assicurarne il successo scientifico, ad elaborare il progetto concettuale del reattore dimostrativo DEMO, a formare le generazioni di scienziati che opereranno le installazioni future.
Strategica per l'AP è la partecipazione del CNR alla realizzazione da parte dell'ENEA del Divertor Tokamak Test (DTT).
Nel settore fusione inerziale ancora in ambito EURATOM, l'obiettivo principale riguarda la realizzazione di un esperimento "full-scale" di shock-ignition presso LMJ (FR). L'attività sperimentale sull'accelerazione laser-plasma di ioni punta a sviluppi diagnostici e terapici in ambito pre-clinico. Proseguirà inoltre lo sviluppo del progetto di acceleratore a plasma europeo EuPRAXIA che prevede la dimostrazione di laser di nuova generazione.
Nel settore dell'Aerospazio gli obiettivi principali sono la modellizzazione e l'ottimizzazione delle condizioni di rientro di navicelle e dei materiali di cui è costituito il TPS e lo sviluppo di sistemi di propulsione non convenzionale, in collaborazione con il DTA e SITAEL s.p.a., e la produzione di dispositivi a base diamante.
Nei settori dell'ambiente e dei beni culturali si conducono studi avanzati sia sulle microscariche a pressione atmosferica per la produzione di radicali reattivi, sia sulla spettroscopia di plasmi indotti da laser per studiarne la composizione qualitativa e quantitativa elementare.

Outline of research in an international context

Grande è l'impegno dei maggiori laboratori mondiali nel condurre ricerche in Fisica del plasma e nelle sue molteplici applicazioni.
Numerosi studi sui plasmi sono rivolti allo sviluppo della FTC. L'estensione degli impegni internazionali nella FTC a confinamento magnetico consiste nella costruzione in Francia del prototipo sperimentale di reattore a fusione ITER e del tokamak JT-60SA in Giappone, come "satellite" di ITER, nell'ambito di un accordo con alcuni Paesi europei (tra cui l'Italia), il Broader Approach. In Italia è in costruzione la Divertor Tokamak Test (DTT) facility. I partner di ITER conducono anche un'intensa attività di R&S su numerose macchine europee ed extra-europee. Sono in corso ricerche di carattere tecnologico di frontiera nei maggiori centri internazionali con l'obiettivo di realizzare il prototipo di reattore DEMO.
Attività di respiro internazionale sono pure la fusione inerziale e l'accelerazione a plasma con laser ultraintensi. La prima basata sui grandi laser e su infrastrutture satellite punta allo sviluppo di schemi di ignizione avanzata ad alta efficienza per futuri reattori a fusione. L'accelerazione laser-plasma mira alla realizzazione di acceleratori compatti di ioni ed elettroni, a sorgenti di radiazione di nuova generazione, e ai relativi sviluppi in ambito industriale, biomedicale e per i beni culturali.
Nell'ambito della Fisica del plasma fondamentale, ricordiamo che negli USA è in vigore il sotto programma General Plasma Science del DoE che supporta ricerca di frontiera in "basic and low temperature plasma science". Lo scopo è incrementare la comprensione dei processi dinamici quali il trasporto di calore, radiazione, e particelle nel plasma, la turbolenza, le onde, e le strutture coerenti. Si studiano i plasmi non-neutri, i dusty plasmas, i plasmi a pressione atmosferica, e i micro-plasmi. Il programma comprende applicazioni quali plasma astrophysics, plasmi per la propulsione spaziale, microelettronica, plasma biomedicine.

Outline of research in a national context

In Italia le ricerche in Fisica del plasma sono condotte principalmente dal CNR, nel centro ENEA di Frascati, presso diverse università e politecnici e, su temi particolari, anche in altri Istituti del CNR, nell'ambito di collaborazioni nazionali ed internazionali.
Nel settore della FTC le attività si svolgono nell'ambito dei programmi EURATOM e ITER IO, in collaborazioni europee ed internazionali. Di particolare rilievo la realizzazione in corso del laboratorio di prova dell'iniettore di neutri di ITER da parte del Consorzio RFX presso l'Area di Ricerca di Padova, in collaborazione con India e Giappone, e la realizzazione in Italia del tokamak DTT coordinata da ENEA.
Si conducono anche studi teorici e sperimentali a carattere fondamentale sui gas ionizzati, volti a determinare i dati dinamici dei processi elementari e le funzioni di distribuzione di non-equilibrio con i metodi della fisica statistica e della cinetica chimica. Si affrontano problematiche relative alla Fisica dei plasmi termici e di bassa temperatura, generati da scariche elettriche, flussi ipersonici e interazione laser-materia, per applicazioni nei settori aerospazio, ambientale, energetica, astrochimica, beni culturali, caratterizzazione di materiali innovativi.

Problemi di riconnessione magnetica, plasmi astrofisici e modelli cinetici della dinamica di elettroni veloci in plasmi da fusione sono studiati sia al CNR sia in centri universitari.
Ricerche sui plasmi da fusione inerziale e sull'interazione di laser ultra-intensi con la materia sono condotte presso i laboratori nazionali del CNR, ENEA, ed INFN, oltre che presso sedi universitarie, e presso infrastrutture europee come LASERLAB, in ambito di progetti nazionali ed internazionali.
Si sviluppano anche applicazioni dei plasmi ai settori biomedicale, agro-alimentare, packaging.

Positioning of Cnr

Dagli anni '60 il CNR promuove le ricerche in Fisica dei plasmi e dagli anni '70 sulla FTC con i suoi centri di Padova e Milano, che nel 2019 con P.Las.M.I Lab di Bari danno vita all'Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP). Il gruppo di Bari vanta una tradizione pluridecennale in Chimica e Fisica dei plasmi per applicazioni ad aerospazio, ambiente, energetica, astrochimica, beni culturali, materiali innovativi.
Il settore dei plasmi che vede maggiormente coinvolto il CNR è la FTC a confinamento magnetico, nell'ambito dei programmi EURATOM, attraverso l'ENEA, il Consorzio RFX e ISTP-Milano. Anche P.Las.M.I Lab e in misura minore altri Istituti del CNR partecipano alle attività sulla FTC. Dal 2014 (H-2020) il CNR partecipa al programma del Consorzio EUROfusion.
Dal 1996 il CNR è socio del CRFX a cui sono comandate stabilmente 60 Unità di Personale ISTP. Contributi considerevoli del CRFX alla FTC sono gli studi di Fisica e Ingegneria degli RFP utilizzando RFX, e la realizzazione del prototipo di iniettore di atomi neutri per ITER e delle alimentazioni dei sistemi di controllo e dei circuiti di protezione per JT-60SA.
Il gruppo di Milano ha competenze nella Fisica dell'interazione tra radiazione EM e plasmi magnetizzati e nello sviluppo diagnostiche, e in ambito ITER partecipa alla progettazione del sistema di riscaldamento del plasma ECRH e di diagnostiche di microonde e neutroni.
Tutto l'ISTP contribuisce al design del tokamak DTT.
CNR ed ENI hanno stipulato un Joint Research Agreement per attività congiunte sulla FTC e costituito un centro ricerche ENI-CNR a Gela.
Il CNR ha un ruolo di primo piano anche nei settori della fusione-laser e dell'accelerazione a plasma con laser ultraintensi, con la partecipazione con ruoli di leadership ai programmi europei, ottima visibilità internazionale e produzione scientifica di alto impatto. Da segnalare l'infrastruttura laser-plasma di alta potenza ILIL dell'INO-Pisa inaugurata nel 2018 e il suo rilievo int.le.

The main activities performed

L'AP include ricerche relative a tipologie assai diverse di plasmi con parametri che variano di molti ordini di grandezza, dai plasmi spaziali tenui a quelli ultra densi all'interno delle stelle, dai plasmi per la Fusione Termonucleare Controllata (FTC) a quelli freddi per applicazioni tecnologiche.
Le attività sulla FTC consistono in studi teorici e numerici di plasmi da fusione e nella partecipazione a esperimenti in laboratori nazionali, europei e internazionali.
Per la fusione magnetica si studiano Fisica e Ingegneria dei tokamak e degli RFP (in RFX); l'interazione plasma-materiali; si sviluppano sistemi di riscaldamento NBI ed ECRH, componenti e materiali avanzati per DEMO; si partecipa alla realizzazione di DTT.
Per ITER, si è completata la sorgente di ioni negativi SPIDER; è stato ultimato il laboratorio di prova dell'iniettore PRIMA ed è in fase di realizzazione il prototipo di NBI MITICA; si sono conclusi gli studi concettuali del lanciatore ECRH e delle diagnostiche di raggi gamma, riflettometria e Thomson scattering. Le realizzazioni per il Broader Approach sono state ultimate e trasferite in Giappone.
Per la fusione-laser si studiano l'interazione e le instabilità laser-plasma anche presso il laboratorio ILIL, Pisa.
Sull'accelerazione laser-plasma, si sviluppano nuovi schemi di accelerazione, nuove diagnostiche, studi dosimetrici e radiobiologici delle sorgenti laser-plasma, si partecipa al progetto concettuale dell'infrastruttura EU EuPRAXIA di acceleratore a plasma.
Si effettuano anche studi teorici e sperimentali su plasmi freddi per caratterizzazione di sistemi di interesse tecnologico; si sviluppano diagnostiche di plasmi di non-equilibrio e spettroscopia LIBS di plasmi da laser, con applicazioni all'agro-alimentare, per la funzionalizzazione di superfici e nano-polveri, a processi di sviluppo di nuovi materiali via plasma. Si studiano applicazioni di plasmi termici e freddi all'aerospazio, alla fusione, all'astrochimica, al biomedicale, al solare.

The planned activities

Nel 9°Programma Quadro UE le priorità per la Fisica di ITER saranno la preparazione e l'ottimizzazione delle operazioni, lo sviluppo e l'uso di modelli per l'interpretazione dei dati, l'ottimizzazione dei sottosistemi tra cui quelli di riscaldamento, attenuazione delle instabilità disruttive, controlli e diagnostiche. Si avvierà il conceptual design di DEMO. Il CNR contribuirà appieno a queste attività. Si parteciperà alle campagne sulle macchine europee, alla campagna DT in JET, alla sperimentazione e ad attività di enhancement su JT-60SA. Continuerà il supporto alla definizione degli scenari e alla realizzazione della configurazione del divertore, sistemi di riscaldamento, diagnostiche e controlli di DTT.
Si completerà la costruzione dell'iniettore MITICA e si avvierà la sperimentazione; si concluderà il final design del lanciatore di potenza ECRH e del sistema di linee di trasmissione di ITER; proseguiranno la realizzazione del nuovo front-end magnetico dell'esperimento RFX e l'aggiornamento di diagnostiche e sistemi di controllo.
Proseguiranno le attività nell'ambito del Joint Research Agreement ENI-CNR.
Si parteciperà al PON-2017 CLOSE per la progettazione e realizzazione di un nuovo sistema propulsivo al plasma (RAM-EP) in grado di utilizzare i gas atmosferici come propellente, e al progetto sPATIALS3 della Regione Lombardia.
Si proseguiranno le attività in essere su plasmi freddi e termici.
Al fine di realizzare un esperimento full-scale di shock-ignition a LMJ (FR) si proseguiranno le attività di preparazione e progetto da svolgere presso le facility satellite.
Continueranno gli studi di carattere dosimetrico e radiobiologico per sviluppi diagnostici e terapici in ambito pre-clinico dell'accelerazione laser-plasma.
Proseguirà il progetto di acceleratore a plasma EuPRAXIA che prevede la dimostrazione di laser di nuova generazione e la validazione di schemi di accelerazione di alta qualità e trasporto in plasmi e lo sviluppo di nuove metodologie diagnostiche.

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Keywords

Plasma physics, Controlled Thermonuclear Fusion, magnetic confinement, inertial confinement, JET, DTT, JT-60SA, ITER, DEMO, Fusion for Energy (F4E), EUROfusion Consortium, EURATOM, plasma heating systems, Neutral Beam Injection (NBI),, Neutral Beam Test Facility (NBTF), Electron Cyclotron Resonant Heating (ECRH), ECRH Upper Launcher, plasma diagnostics, neutron and gamma diagnostics, Thomson Scattering, LIBS diagnostic, SPIDER, MITICA, PRIMA, cold plasmas, thermal plasmas,, plasma instabilities, energy transport, riconnessione magnetica, plasma propulsion, laser-plasma interaction, laser-fusion, laser-wakefield acceleration, laser-plasma ion acceleration, laser-induced instabilities, shock-ignition, high energy electrons

Projects

Last update: 03/03/2024