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Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi

Chi siamo

Benvenuto! L’Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP) svolge attività di ricerca teorica, sperimentale e di sviluppo diagnostiche nel campo della dinamica dei plasmi di laboratorio e naturali. Le tematiche scientifiche spaziano dalla Fusione Termonucleare Controllata alla Fisica dei plasmi di bassa temperatura, alle problematiche dell’aerospazio, ai plasmi astrofisici e agli studi sull’interazione dei plasmi con fasci di particelle, con radiazione elettromagnetica e materiali. 

ISTP viene costituito nell’Aprile del 2019 nell’ambito della riorganizzazione della rete di Istituti del CNR ed è il risultato dell’unione di tre gruppi da molti anni attivi nel settore di ricerca della fisica del plasma:
l’Istituto di Fisica del Plasma (IFP-CNR, Milano), l’Istituto di Gas Ionizzati (IGI-CRFX, Padova) e il gruppo P.Las.M.I. Lab (Nanotec-CNR, Bari).

Partendo dalle competenze complementari provenienti dall’esperienza dei tre gruppi di ricerca, ISTP si propone di essere punto di riferimento e di collegamento delle diverse comunità italiane che si occupano di plasmi dal punto di vista della scienza di base e dell’ampio spettro di potenziali applicazioni tecnologiche, favorendo lo sviluppo di convergenze e collaborazioni all’interno delle comunità stesse e con il mondo industriale, promuovendo il trasferimento tecnologico.

ISTP afferisce al Dipartimento di Scienze Fisiche e Tecnologia della Materia e conta circa 120 unità di personale di cui oltre 80 Fisici, Ingegneri, Chimici e Geologi. La sede principale è a Milano, con sedi secondarie a Padova e Bari. A Padova l’attività di ricerca è svolta nell’ambito del Consorzio RFX (CRFX) cui è assegnata la quasi totalità del personale ISTP di questa sede.

ISTITUTO

Missioni, Organizzazione e Collaborazioni

Informazioni generali

Nel 2019 un provvedimento del Presidente del CNR ha sancito la nascita dell’Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP). 

All’interno del nuovo Istituto, risultato di un processo di accorpamento tra diversi Istituti del CNR, sono confluite le competenze scientifiche e tecnologiche dell’Istituto di Fisica del Plasma “P.Caldirola” (IFP) di Milano, dell’Istituto Gas Ionizzati (IGI) di Padova e di una sezione dell’Istituto di Nanotecnologia (NANOTEC) di Bari. ISTP si caratterizza quindi per il suo spettro estremamente ampio di competenze nei campi della fisica e della tecnologia dei plasmi ed è attivo nelle seguenti missioni:

  • Fusione termonucleare controllata;
  • Progettazione, realizzazione e operazione di impianti per la fusione termonucleare;
  • Plasmi di bassa temperatura e loro applicazioni;
  • Plasmi per aerospazio;
  • Plasmi astrofisici e plasmi spaziali;
  • Interazione dei plasmi con fasci di particelle, radiazione elettromagnetica e materiali e relative applicazioni tecnologiche;
  • Interazione laser-plasma e fisica dei plasmi in condizioni estreme.

ISTP è articolato su tre sedi: 

  • la Sede Principale di Milano, c/o l’Area3 della Ricerca CNR di Milano 
  • la Sede Secondaria di Padova, c/o l’Area della Ricerca CNR di Padova
  • la Sede Secondaria di Bari, c/o l’Area della Ricerca CNR di Bari.

ATTIVITÀ DI RICERCA

Fisica del Plasma e della Fusione Termonucleare

Le attività di ricerca sulla Fusione Termonucleare Controllata mirano alla realizzazione e al successo scientifico del reattore sperimentale ITER (Cadarache, Francia), del suo “satellite” JT-60SA (Giappone) e al progetto concettuale del reattore dimostrativo DEMO. A partire dal 2014 nel programma quadro Horizon 2020 (FP8), ISTP fa parte del Consorzio europeo EUROfusion per le ricerche nel campo della Fusione Termonucleare Controllata, al cui programma contribuisce con numerosi Work Packages e progetti di Enabling Research.  

In particolare, ISTP partecipa alle campagne sperimentali sui tokamak europei, tra cui JET (UK), ASDEX (D) e TCV (CH), è promotore e responsabile di task specifici e svolge una intensa attività di modellizzazione e simulazione numerica predittiva e interpretativa in supporto alla sperimentazione. Studi teorici su problematiche di fisica del plasma e fusione affiancano gli studi sperimentali. 

Nel quadro delle attività di Broader Approach, ISTP partecipa alla realizzazione del tokamak giapponese JT-60SA, “satellite” di ITER, alla preparazione delle operazioni e alla realizzazione di due sistemi diagnostici dedicati.

Per il plasma di ITER si studiano i sistemi di riscaldamento con Neutral Beam Injection (NBI) e con iniezione di potenza a microonde alla frequenza di ciclotrone elettronica (ECRH); si partecipa alla progettazione di un’antenna ECRH, della sorgente gyrotron di onde ciclotroniche elettroniche e delle diagnostiche di raggi gamma. Sotto la responsabilità del Consorzio RFX è in costruzione a Padova il prototipo dell’iniettore di NBI da 1 MeV di ITER

Attività su queste tematiche, sull’interazione plasma parete e sul divertore sono svolte in supporto a DTT, il nuovo tokamak in costruzione presso l’ENEA di Frascati. 

Presso la sede di Padova è in fase di potenziamento la macchina toroidale RFX-mod2 per studi sulla fisica e tecnologia dei plasmi in configurazione magnetica denominata Reversed Field Pinch; la flessibilità dell’esperimento consente lo sfruttamento scientifico sia in configurazione RFP che tokamak per risultati di interesse per la comunità scientifica.

A Milano è operante la macchina lineare GyM per studi sperimentali di interazione plasma-materiali.

Un’intensa attività è dedicata all’indagine teorico-sperimentale sui plasmi di non-equilibrio, scariche elettriche, flussi ipersonici o plasmi indotti da laser, con lo sviluppo in-house di codici di simulazione cinetica, che implementano dati dinamici dettagliati calcolati per processi elementari in volume e sulla superficie, e di tecniche diagnostiche avanzate. Queste competenze consentono la caratterizzazione di plasmi di interesse nel settore aerospaziale (studi di carico sugli scudi termici delle navette in condizioni di rientro, propulsione elettrica, voli ipersonici), astrochimico, nel settore delle tecnologie a plasma (materiali innovativi, riduzione della CO2, applicazioni in medicina e agricoltura), nella fusione (sorgenti di ioni negativi, regione del divertor e interazione plasma-parete), nel settore ambientale e dei beni culturali (analisi Laser Induced Breakdown Spectroscopy multi-elementale, anche in-situ). Inoltre interessanti risultati sono stati ottenuti nello studio dei processi non lineari per la dinamica di plasmi per l’astrofisica.

Competenze

Plasma e sue applicazioni

Le competenze di ISTP nel campo dei plasmi e delle sue applicazioni sono molto ampie e diversificate e coprono numerosi aspetti teorici, sperimentali e tecnologici di rilevanza per la Fusione Termonucleare Controllata a confinamento magnetico, per il riscaldamento del plasma e le tecnologie relative, le sorgenti di ioni negativi, i plasmi di bassa temperatura per applicazioni nei settori aerospazio, energia, medicina e agricoltura, materiali innovativi, ambiente e beni culturali, plasmi per l’astrofisica. 

Laboratori

Milano, Bari e Padova

ISTP-Milano

A Milano è operativa la macchina lineare GyM (Gyrotron Machine) per studi sperimentali di interazione plasma-materia. La sperimentazione copre diversi aspetti e fenomenologie, quali ad esempio studi di turbolenza e strutture coerenti tipiche della periferia dei tokamak, instabilità associate ad onde di drift e studi della funzione di distribuzione della velocità degli elettroni. Laboratori di microonde, di diagnostiche neutroniche e per plasmi freddi sono operativi per lo sviluppo di componentistica, caratterizzazione di processi e di analisi di superfici con ricadute di alto interesse tecnologico, in particolare in ambito fusionistico. 

ISTP-Padova

Sotto la responsabilità del Consorzio RFX è in costruzione l’impianto di prova e sviluppo del sistema di iniezione di fasci di neutri (NBTF, Neutral Beam Test Facility), per il riscaldamento del plasma di ITER. L’impianto ospita il prototipo della sorgente di ioni negativi H/D in scala 1:1 (SPIDER) e il prototipo dell’iniettore di neutri (MITICA), in scala 1:1, che dovrà accelerare un fascio di ioni negativi da 40 A a 1 MeV, per fornire impulsi di 17 MW di potenza, con durata fino a 1 ora.  Per incrementare la produzione di ioni negativi, è prevista la messa in funzione di due forni al Cesio, già installati in SPIDER, progettati e testati nell’impianto di prova CATS (CAesium Test Stand) tutt’ora in operazione.

Il Consorzio ha avviato studi sull’esperimento Negative Ion Optimization phase 1 (NIO1) per la produzione di una corrente di ioni di idrogeno a 130 mA, con introduzione di Cesio, accelerati a 60 KeV.

Sono inoltre operativi impianti in alta tensione, per studi su tecnologie elettriche applicate in vuoto.

ISTP-Bari

Presso la sede di Bari è presente strumentazione per la rilevazione di livelli energetici eccitati di atomi e molecole nei plasmi. In particolare:

  • Laser Induced Fluorescence (LIF) / Two Photon Absorption LIF (TALIF)
  • Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
  • Coherent Antistokes Raman Spectroscopy (CARS)
  • Cavity Ring Dowm spectroscopy (CRDS)

È inoltre attivo un laboratorio MWPECVD (Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). 

CONTATTI

Indirizzi e riferimenti delle sedi ISTP

MILANO

Sede Principale

c/o ARM 3 Milano Bicocca
Via Roberto Cozzi 53 – 20125 Milano (MI) 
Telefono: +39 02 66173238
Fax: +39 02 66173239

PADOVA

Sede Secondaria

c/o Area della Ricerca di Padova
Corso Stati Uniti, 4 – 35127  Padova (PD) 
Telefono: +39 049 8295033
Fax: +39 049 8295671

BARI

Sede Secondaria

c/o Area della Ricerca di Bari
Via Amendola, 122/D – 70126 Bari (BA) 
Telefono: +39 080 5929507
Fax: +30 080 5929520