Un team di fisici del Los Alamos National Laboratory ha recentemente confermato le intuizioni fondamentali sulla fusione deuterio-trizio (DT) derivanti da un esperimento del 1938, dimostrando come le scoperte storiche continuino a influenzare gli studi attuali nel campo della fusione.
Questo lavoro non solo riafferma l’importanza di una ricerca storica, ma ne collega direttamente i risultati alle sfide contemporanee dell’energia pulita e della sicurezza nazionale.
La fusione deuterio-trizio (DT): la riscoperta dell’esperimento chiave di Arthur Ruhlig
Il team di Los Alamos ha riprodotto con successo un esperimento di fisica, in precedenza ampiamente trascurato, che ha rappresentato la prima osservazione registrata della fusione deuterio-trizio (DT). La versione aggiornata di questo esperimento del 1938 ha ristabilito il ruolo pionieristico del fisico Arthur Ruhlig dell’Università del Michigan. Il lavoro originale di Ruhlig ha gettato le basi per un processo di fusione che, ancora oggi, è cruciale per lo sviluppo dell’energia nucleare e per i programmi di sicurezza nazionale.
Mark Chadwick, direttore associato del Laboratorio di Scienza, Calcolo e Teoria di Los Alamos, ha spiegato come “l’intuizione chiave di Ruhlig sia stata quella di ipotizzare che la fusione del deuterio trizio avvenga con un’altissima probabilità quando deuterio e trizio vengono portati in stretta prossimità”. Replicando l’esperimento originale, gli scienziati sono stati in grado di rivalutare e apprezzare la precisione delle conclusioni iniziali di Ruhlig, la cui intuizione ha avuto un impatto duraturo sulla direzione della ricerca sui combustibili nucleari.
La reazione di fusione deuterio-trizio rimane un pilastro fondamentale per il progresso delle tecnologie basate sulla fusione. Il suo ruolo è critico sia nelle applicazioni di difesa che nello sviluppo di future soluzioni per l’energia pulita. Questa reazione costituisce la base di progetti ambiziosi come quelli del National Ignition Facility, dove i ricercatori si sforzano di raggiungere una fusione controllata. Spinti dall’ipotesi che Ruhlig potesse aver ideato il concetto alla base di tutto, gli scienziati di Los Alamos hanno meticolosamente progettato un esperimento per testare e convalidare rigorosamente l’importanza dei suoi primi, rivoluzionari lavori.
Un viaggio nella storia della fisica nucleare
Nel 2023, mentre compilavano una dettagliata cronologia delle prime ricerche sulla fusione nucleare, Mark Chadwick e i suoi colleghi, tra cui il fisico teorico Mark Paris, si imbatterono in un’annotazione di particolare rilievo. Questa riguardava un suggerimento avanzato dal fisico Emil Konopinski durante una conferenza di fisica tenutasi nel luglio 1942 a Berkeley, presieduta da J. Robert Oppenheimer, futuro direttore del Progetto Manhattan. Durante quella cruciale riunione, Konopinski propose che, tra le diverse possibili reazioni di fusione, quella tra deuterio e trizio (DT) fosse la più promettente per un impiego combinato con le armi a fissione.
Curiosi di comprendere come Konopinski avesse raggiunto una tale conclusione così precocemente nello sviluppo del progetto – a pochi mesi dall’inizio ufficiale del Progetto Manhattan – Chadwick e il suo team a Los Alamos avviarono un’indagine approfondita. La scelta della fusione deuterio-trizio come opzione più praticabile tra le numerose reazioni potenziali si rivelò, infatti, una decisione fondamentale e illuminante per il futuro della ricerca nucleare.
Una sera, mentre scandagliava gli archivi del National Security Research Center, Chadwick fece una scoperta cruciale: una registrazione audio del 1986 in cui Konopinski stesso discuteva le motivazioni della sua predilezione per la fusione DT. Nella registrazione, Konopinski rifletteva sui primi giorni della ricerca nucleare e attribuiva ripetutamente il suo interesse per la fusione DT a quelli che definiva studi “prebellici”.
Il trizio, un componente chiave nella reazione di fusione deuterio-trizio, fu scoperto per la prima volta nel 1934 da un gruppo di ricerca guidato dal fisico sperimentale Ernest Rutherford, una figura centrale nella prima teoria atomica che aveva collaborato con Niels Bohr e supervisionato James Chadwick nella scoperta del neutrone. A partire dall’anno della scoperta del trizio, Mark Paris iniziò a setacciare le pubblicazioni di fisica di quell’epoca. Alla fine, si imbatté in una lettera del 1938 indirizzata al direttore della rivista Physical Review, firmata esclusivamente da Arthur Ruhlig. La lettera descriveva un esperimento sui raggi gamma, ma faceva anche accenno a qualcosa di più profondo.
Nell’esperimento, Ruhlig aveva studiato le reazioni deuterio-deuterio, bombardando il deuterio con un fascio di deuteroni (il nucleo di un atomo di deuterio, composto da un protone e un neutrone) e analizzando le emissioni di raggi gamma risultanti. In un breve ma intrigante commento nel paragrafo finale della lettera, Ruhlig riferì di aver rilevato protoni ad alta energia.
Egli ipotizzò che questi protoni fossero originati da interazioni secondarie, causate da neutroni provenienti dalla fusione deuterio-trizio, che diffondevano protoni da una sottile pellicola di cellophane posta all’interno di una camera a nebbia. A supporto del suo ragionamento, Ruhlig fece riferimento a una discussione privata con il fisico Hans Bethe. Concluse che la fusione DT “deve essere estremamente probabile” e stimò che circa un protone energetico su 1.000 derivasse da tali reazioni.
Eppure, nonostante l’importanza di questa intuizione, l’articolo di Ruhlig fu citato raramente, e le poche citazioni riguardavano principalmente le questioni relative ai raggi gamma. Sembra tuttavia che Konopinski avesse conservato un ricordo significativo di quel lavoro pionieristico.
La connessione tra Ruhlig e Konopinski
Mark Paris e Mark Chadwick hanno ricomposto un affascinante mosaico storico: Arthur Ruhlig ed Emil Konopinski, figure chiave nella prima ricerca sulla fusione nucleare, erano entrambi studenti di dottorato contemporaneamente all’Università del Michigan negli anni ’30. Le loro carriere si intrecciarono ulteriormente: il relatore di tesi di Ruhlig, Richard Crane, era un collega di Hans Bethe, sotto la cui supervisione Konopinski conduceva una borsa di ricerca.
Condividevano anche un mentore comune, il fisico dell’Università del Michigan George Uhlenbeck, co-scopritore dello spin elettronico. Sebbene l’articolo di Ruhlig non fosse frequentemente citato, ciò non significa che fosse sconosciuto; la rivista su cui era stato pubblicato faceva parte delle letture abituali di molti fisici dell’epoca.
Le prove che Konopinski abbia interpretato e accolto il suggerimento di Ruhlig sulla probabilità della fusione DT sono circostanziali, ma comunque solide, come ha affermato Paris. Resta però da chiedersi: cosa osservò realmente Ruhlig? Le sue conclusioni sono in linea con i risultati ottenuti con approcci computazionali moderni e una comprensione aggiornata delle sezioni d’urto? L’unico modo per rispondere a queste domande, hanno concluso i ricercatori, era replicare l’esperimento.
Chadwick ha presentato il documento di Ruhlig e le loro teorie sul ruolo dell’esperimento del 1938 nello sviluppo della fusione deuterio-trizio al direttore del laboratorio Thom Mason. Quest’ultimo ha insistito affinché il team conducesse un esperimento reale, non solo una simulazione, per convalidare le loro conclusioni.
Il team di Los Alamos ha quindi collaborato con i fisici sperimentali della Duke University, con sede presso il Triangle Universities Nuclear Laboratory nella Carolina del Nord. L’obiettivo era replicare il lavoro di Ruhlig con una moderna e rigorosa duplicazione dell’esperimento originale, che sarebbe stata affiancata da analisi teoriche e computazionali.
Per la replica, è stato utilizzato l’acceleratore Tandem del laboratorio alla sua minima potenza operativa, producendo un fascio di deuteroni da 3,5 mm. Hanno accoppiato tale fascio con una sottile lamina in lega di cobalto tra il vuoto dell’acceleratore e il bersaglio, replicando in modo efficace il fascio da 500 keV di Ruhlig. Come nell’esperimento del 1938, il fascio è stato diretto contro un bersaglio di acido fosforico deuterato, e un rivelatore di neutroni a scintillatore liquido è stato utilizzato per tracciare i neutroni di interesse, valutando così le reazioni secondarie.
Werner Tornow, fisico della Duke University per il Triangle Universities Nuclear Laboratory, ha sottolineato l’unicità di questo lavoro: “A differenza degli esperimenti di fusione a confinamento inerziale presso il National Ignition Facility, siamo stati in grado di eseguire, per la prima volta in un impianto di fisica nucleare a bassa energia, un esperimento di fusione deuterio-trizio come reazione secondaria successiva all’interazione iniziale deuterio-deuterio che produce il trizio“. Ha aggiunto che questo lavoro contribuisce a rispondere a intriganti domande sulla storia della fisica e amplia la capacità di lavorare con la fusione DT in un ambiente considerevolmente più impegnativo.
Analizzando i loro risultati, l’esperimento moderno ha effettivamente osservato reazioni DT secondarie. Tuttavia, ha anche suggerito che Ruhlig potrebbe aver sovrastimato il rapporto al quale osservava una produzione eccessiva di neutroni, i prodotti della fusione, poiché i ricercatori moderni hanno rilevato un rapporto molto inferiore. Dato che la lettera di Ruhlig del 1938 fornisce scarsi dettagli sulla sua metodologia, è difficile valutare con certezza l’accuratezza del fisico del Michigan rispetto ai risultati odierni. Nonostante ciò, il valore calcolato dal team utilizzando metodi moderni concordava con il valore misurato dall’esperimento replicato, rafforzando la validità generale delle sue osservazioni.
È fondamentale sottolineare che le misurazioni derivate dalle tecniche sperimentali impiegate da Ruhlig e successivamente testate dai ricercatori di Los Alamos e del Triangle Universities Nuclear Laboratory possono essere applicate agli sforzi di fusione attivi, come quelli condotti al NIF.
Chadwick ha concluso che “a prescindere dall’incoerenza del tasso di fusione di Ruhlig rispetto alla nostra comprensione moderna, la nostra replica non lascia dubbi sul fatto che avesse almeno ragione qualitativamente quando affermò che la fusione deuterio-trizio era ‘estremamente probabile‘”. L’osservazione “accidentale” della fusione deuterio-trizio da parte di Ruhlig, unita alle successive misurazioni della sezione d’urto del Progetto Manhattan, ha contribuito in modo significativo all’applicazione pacifica della fusione DT nei tokamak dedicati a progetti energetici e in esperimenti di fusione a confinamento inerziale come il NIF. Chadwick ha espresso orgoglio per aver potuto “elevare nuovamente Arthur Ruhlig alla storia come un importante contributo alla ricerca vitale e in corso“.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review C.
