Per più di 60 anni, gli scienziati hanno cercato di comprendere e controllare il processo di fusione, una ricerca per sfruttare la grande quantità di energia rilasciata quando i nuclei nel combustibile si uniscono.
Un articolo pubblicato sulla rivista Nature descrive i recenti esperimenti che hanno raggiunto uno stato di combustione del plasma durante la fusione, aiutando a guidare la ricerca sulla fusione più vicino di quanto non sia mai stato al suo obiettivo finale: una reazione autosufficiente e controllata.
I ricercatori del Los Alamos National Laboratory, compresi i membri della divisione Fisica, hanno contribuito con capacità essenziali nella scienza diagnostica per ottenere e analizzare risultati senza precedenti. I loro progressi diagnostici hanno aiutato a trasferire la ricerca sulla fusione all’era attuale alla soglia dell’accensione, il punto in cui una reazione di fusione genera più energia di quella che riceve e può bruciare da sola.
“Questi esperimenti indicano una transizione verso un regime fisico diverso”, ha affermato il fisico di Los Alamos Hermann Geppert-Kleinrath, un membro del team della National Ignition Facility che lavora al progetto del “plasma in fiamme”.
“La ricerca descritta in questo documento indica dove il riscaldamento alfa nelle reazioni ha superato la perdita tra radiazione e conduzione del calore. È un momento entusiasmante perché siamo al punto in cui i continui guadagni marginali nel modo in cui conduciamo i nostri esperimenti porteranno a miglioramenti esponenziali”.
Gli esperimenti di fusione a confinamento inerziale laser hanno avuto luogo presso la National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California. All’interno di una cavità appositamente costruita, una capsula a forma di carbonio, di circa un millimetro di diametro, contiene sia deuterio-trizio congelato criogenicamente sia la stessa miscela di gas: il carburante. Quando la cavità viene riscaldata con i laser, si ottiene un bagno di raggi X che riscalda la capsula fino a quando il carburante all’interno non viene compresso.
La risultante fusione dei nuclei di deuterio e trizio rilascia neutroni e particelle alfa; questi ultimi depositano nuovamente la loro energia nel punto caldo della reazione e così facendo contribuiscono alla propagazione dell’ustione. Una tale reazione dominata dall’alfa è ricercata come elemento chiave nella fusione autosufficiente.
Le forze estreme richiedono capacità speciali
Le forze all’opera nella fusione sono estreme. Negli esperimenti descritti nell’articolo di Nature, la temperatura durante la reazione di fusione è circa tre volte più calda del centro del Sole. Anche la durata della reazione è incredibilmente breve, circa 130 picosecondi: il tempo necessario alla luce per viaggiare di soli quattro centimetri (la luce viaggia a 300.000 chilometri al secondo).
“È un regime fisico incredibilmente difficile su cui eseguire misurazioni”, ha affermato Geppert-Kleinrath. “Stiamo essenzialmente creando un Sole in miniatura in laboratorio”.
Al fine di acquisire dati significativi dall’sperimento, i ricercatori di Los Alamos hanno contribuito con diverse capacità diagnostiche chiave per la National Ignition Facility, ciascuna contenente enormi sfide tecniche. Il team di Hermann è responsabile della diagnostica della cronologia delle reazioni gamma, fornendo il tempo di scoppio (il tempo di massima compressione e velocità di reazione, chiamato anche ristagno), e la durata dell’ustione. Lo strumento della cronologia delle reazioni gamma misura le reazioni con una risoluzione temporale fino a dieci picosecondi, una scala temporale minuscola su cui la luce viaggia solo di millimetri.
La fisica Verena Geppert-Kleinrath, leader del team per l’imaging avanzato a Los Alamos, ha guidato le capacità di imaging dei neutroni che hanno fornito forme tridimensionali di punti caldi per gli esperimenti della National Ignition Facility. (Per coincidenza, Verena è sposata con Hermann.) L’imaging dei neutroni significava misurare un hotspot di 70 micron – uguale allo spessore di un capello umano – da 30 metri di distanza attraverso un’apertura estesa con aperture larghe solo pochi micron.
“Siamo molto orgogliosi del fatto che provenendo da diversi campi e diversi gruppi all’interno della fisica abbiamo il privilegio di far parte insieme di questo traguardo importante”, ha affermato Verena Geppert-Kleinrath. “I team di fisica di Los Alamos sono stati in grado di fornire una diagnostica unica per mostrare i marcatori che stiamo cercando in condizioni difficili”.
I miglioramenti fanno progressi verso la fusione
Infine, gli esperimenti hanno esplorato i criteri per l’accensione: come si può generare la fusione e come può essere generata in modo tale che si propaghi, rilasciando più energia dal combustibile dell’energia necessaria per avviare la reazione per gentile concessione dei laser. Gli esperimenti e l’analisi dei risultati hanno suggerito miglioramenti graduali che potrebbero mantenere più energia all’interno della reazione invece di essere persa a causa della radioattività o della conduzione del calore. Ad esempio, le dimensioni del tubo di riempimento del carburante sono state identificate come una limitazione delle prestazioni attraverso l’imaging di neutroni 3D e gli esperimenti futuri hanno utilizzato un tubo di riempimento appositamente progettato che era molto più piccolo.
I quattro esperimenti o “colpi” hanno rappresentato risultati significativi nel raggiungimento della combustione del plasma. Il quarto colpo ha visto più energia creata di quella persa a causa delle radiazioni o della conduzione del calore e probabilmente avrebbe ottenuto la propagazione se la capsula non fosse stata smontata nell’implosione.
La produzione di energia totale, inclusa l’energia laser per avviare la reazione, era ancora nettamente negativa, ma il netto miglioramento rappresentava un punto di svolta verso la fusione autosufficiente.
I graduali miglioramenti hanno dato i loro frutti in modo significativo nell’agosto 2021, quando un esperimento presso la National Ignition Facility ha raggiunto una resa di 1,3 megajoule, un aumento di otto volte rispetto agli esperimenti descritti nella pubblicazione Nature. Pur non essendo all’altezza di una definizione di accensione, l’esperimento suggerisce che la ricerca sulla fusione è entrata in una nuova era, con ulteriori miglioramenti graduali forse in grado di ottenere l’accensione e la fusione autosufficiente.
“Siamo proprio sulla scogliera degli esperimenti che si esauriscono rispetto agli esperimenti che entrano nel regime di accensione”, ha affermato Hermann Geppert-Kleinrath. “Una volta che si passa a questo regime in cui il riscaldamento alfa è dominante, guadagni marginali nel modo in cui eseguiamo l’esperimento portano a guadagni molto grandi nella resa”.
Ottenere risultati su un problema di grande sfida
Comprendere le dinamiche della fusione fornisce informazioni critiche a supporto della gestione delle scorte. Un obiettivo importante dello Stockpile Stewardship Program, il perseguimento dell’accensione e di elevate rese di fusione in laboratorio sono anche un problema scientifico di “grande sfida” che richiede capacità integrate. Gli esperimenti presso la National Ignition Facility forniscono test per quelle sfide che non possono essere realizzate in nessun altro modo. I team dedicati alla simulazione lavorano fianco a fianco con i ricercatori della divisione Fisica per migliorare costantemente le capacità di modellazione di Stockpile Stewardship basate sugli esperimenti della National Ignition Facility e sui loro marcatori diagnostici.
Il raggiungimento dell’accensione fornisce la comprensione di alcuni processi che non possono essere affrontati in nessun altro modo. Riflettendo la sfida e il successo di questa particolare serie di esperimenti di fusione, nel dicembre 2021 il Burning Plasma presso il team della National Ignition Facility è stato premiato dal Dipartimento dell’Energia con il Secretary’s Honors Award. Il team ha vinto un Achievement Award “dato a gruppi di dipendenti e appaltatori che insieme hanno ottenuto risultati significativi per conto del Dipartimento. Gli Honors Awards sono il più alto riconoscimento del dipartimento.
Membri del team Burning Plasma del Los Alamos National Laboratory: Yongho Kim, Hermann Geppert-Kleinrath e Kevin Meaney (team termonucleare); Verena Geppert-Kleinrath, Carl Wilde e Noah Birge (team di imaging avanzato); ex membri della squadra Hans Herrman e Petr Volegov (in pensione). I membri del team lavorano nell’ambito della campagna scientifica 10 del laboratorio, Inertial Confinement Fusion, responsabile del programma John Kline.
Finanziamento: Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
