Fusione nucleare: raggiunto un importante traguardo

L’accensione è un processo chiave che amplifica la produzione di energia dalla fusione nucleare e potrebbe fornire energia pulita e rispondere ad alcune enormi domande di fisica.

Un nuovo esperimento sembra aver innescato l’accensione per la prima volta, presso il National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti, ricreando le temperature e le pressioni estreme trovate nel cuore del Sole.

Ciò ha prodotto più energia di qualsiasi precedente esperimento di fusione a confinamento inerziale e dimostra che l’accensione è possibile, aprendo la strada a reazioni che producono più energia di quella necessaria per iniziare.

I fisici dell’Imperial College di Londra stanno già aiutando ad analizzare i dati dell’esperimento riuscito, condotto l’8 agosto 2021. L‘Imperial ha anche prodotto più di 30 dottorati di ricerca. studenti che hanno continuato a lavorare al NIF. Il College mantiene forti legami con la struttura, e altri in tutto il mondo, attraverso il Centro per gli studi sulla fusione inerziale (CIFS).

Un importante passo avanti

Il co-direttore del Centro per gli studi sulla fusione inerziale dell’Imperial, il professor Jeremy Chittenden, ha affermato che “la dimostrazione dell’accensione è stata una grande sfida scientifica da quando l’idea è stata pubblicata per la prima volta quasi 50 anni fa. È stata la ragione principale per la costruzione del NIF ed è stato il suo obiettivo primario per oltre un decennio”.

“Dopo dieci anni di progressi costanti verso la dimostrazione dell’accensione, i risultati degli esperimenti nell’ultimo anno sono stati più spettacolari, poiché i piccoli miglioramenti nella produzione di energia da fusione sono fortemente amplificati dal processo di accensione. Il ritmo di miglioramento della produzione di energia è stato rapido, suggerendo che potremmo presto raggiungere più traguardi energetici, come il superamento dell’energia immessa dai laser utilizzati per avviare il processo”.

“Questo è fondamentale per aprire la promessa dell’energia di fusione e consentire ai fisici di sondare le condizioni in alcuni degli stati più estremi dell’Universo, compresi quelli pochi minuti dopo il Big Bang. La fusione controllata in laboratorio è uno degli aspetti scientifici che definiscono grandi sfide di questa epoca e questo è un passo avanti epocale”.

Il co-direttore del Centro per gli studi sulla fusione inerziale dell’Imperial, il professor Steven Rose, ha affermato che “il team del NIF ha svolto un lavoro straordinario. Questo è il progresso più significativo nella fusione inerziale dal suo inizio nel 1972”.

“Ciò che è stato ottenuto ha completamente alterato il panorama della fusione e ora possiamo aspettarci di utilizzare plasmi accesi sia per la scoperta scientifica che per la produzione di energia”.

Raggiungere l’accensione

Il tipo di reazione nucleare che alimenta le attuali centrali elettriche è la fissione, la scissione degli atomi per rilasciare energia. La fusione, invece, costringe gli atomi di idrogeno insieme a guadagnare energia, producendo una grande quantità di energia e, soprattutto, rifiuti radioattivi limitati.

Per questo motivo da decenni si cerca un modo per creare reazioni di fusione efficienti per produrre energia pulita utilizzando poche risorse. Tuttavia, le reazioni di fusione si sono rivelate difficili da controllare e, ad oggi, nessun esperimento di fusione ha prodotto più energia di quanta ne sia stata impiegata per avviare la reazione.

Anche se l’ultimo esperimento richiedeva ancora più energia di quanta ne esce, è il primo a raggiungere la fase cruciale di “accensione“, che ha permesso di produrre molta più energia che mai, e apre la strada al “break even“, dove l’energia in entrata è abbinata all’energia in uscita.

Ci sono due modi principali in cui i ricercatori di tutto il mondo stanno attualmente cercando di produrre energia da fusione. Il NIF si concentra sulla fusione a confinamento inerziale, che utilizza un sistema di laser per riscaldare pellet di combustibile producendo un plasma, una nuvola di ioni carichi.

I pellet di combustibile contengono versioni “pesanti” di idrogeno, deuterio e trizio, che sono più facili da fondere e producono più energia. Tuttavia, i pellet di combustibile devono essere riscaldati e pressurizzati alle condizioni che si trovano al centro del Sole, che è un reattore a fusione naturale.

Una volta raggiunte queste condizioni, le reazioni di fusione rilasciano diverse particelle, comprese le particelle “alfa”, che interagiscono con il plasma circostante e lo riscaldano ulteriormente. Il plasma riscaldato rilascia quindi più particelle alfa e così via, in una reazione autosufficiente, un processo denominato accensione.

Tuttavia, questo processo non è mai stato completamente realizzato prima, fino ad ora. I risultati dell’esperimento dell’8 agosto indicano una produzione energetica di oltre un mega-joule, che segna la soglia concordata per l’inizio dell'”accensione” ed è sei volte l’energia massima raggiunta in precedenza.

Arthur Turrell, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial e autore del libro di recente pubblicazione The Star Builders: Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet, ha affermato che “Questa svolta fenomenale ci avvicina in modo allettante a una dimostrazione di “guadagno energetico netto”. Dalle reazioni di fusione, proprio quando il pianeta ne ha bisogno.”

“Il team della National Ignition Facility, e i loro partner in tutto il mondo, meritano ogni plauso per aver superato alcune delle più temibili sfide scientifiche e ingegneristiche che l’umanità abbia mai affrontato. Lo straordinario rilascio di energia ottenuto incoraggerà gli sforzi di fusione nucleare in tutto il mondo, dando slancio a una tendenza che era già ben avviata”.

Territorio non mappato

Il professor Chittenden ha affermato che “mentre il NIF è principalmente un esperimento di fisica e non ha l’obiettivo principale di creare energia di fusione, questo incredibile risultato significa che questo sogno è più vicino alla realtà. Ora abbiamo dimostrato che è possibile raggiungere l’accensione, dando ispirazione ad altri laboratori e start-up in tutto il mondo che lavorano sulla produzione di energia da fusione per cercare di realizzare le stesse condizioni utilizzando un metodo più semplice, più robusto e soprattutto più economico.”

Il team imperiale sta ora analizzando i risultati dell’esperimento, utilizzando metodi diagnostici che hanno creato per capire cosa sta succedendo in condizioni così estreme. Il Dr. Brian Appelbe, ricercatore associato presso il Centro per gli studi sulla fusione inerziale dell’Imperial, ha affermato che “i laser NIF hanno già creato le condizioni più estreme sulla Terra, ma il nuovo esperimento sembra aver raddoppiato la precedente temperatura raggiunta. Siamo entrati in un regime non siamo mai stati in precedenza: questo è un territorio inesplorato nella nostra comprensione del plasma“.

Il dottor Aidan Crilly, ricercatore associato presso il Center for Inertial Fusion Studies di Imperial, ha aggiunto che “riprodurre le condizioni al centro del Sole ci consentirà di studiare stati della materia che non siamo mai stati in grado di creare in laboratorio prima, comprese quelle che si trovano nelle stelle e nelle supernove“.

“Potremmo anche ottenere informazioni sugli stati quantistici della materia e persino sulle condizioni sempre più vicine all’inizio del Big Bang: più diventiamo caldi, più ci avviciniamo al primo stato dell’Universo”.