Fusione nucleare mediante laser

La fusione è stata a lungo considerata una fonte di energia pulita, alimentata da isotopi di idrogeno facilmente reperibili e non producendo scorie radioattive a emivita breve. Il processo tuttavia rimane un sogno lontano

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Il National Ignition Facility (NIF) da dieci anni tenta di innescare reazioni di fusione nucleare utilizzando potenti fasci laser. Il primo tentativo risale al 2010, quando in un edificio grande come tre campi di football, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno dato energia a 192 raggi laser, concentrandoli su un bersaglio grande quanto un grano di pepe. I ricercatori cercano di innescare reazioni di fusione nucleare per produrre più energia di quella immessa dai fasci laser.
Dopo dieci anni e quasi 3000 tentativi, il NIF sta ancora cercando di ottenere eventi di fusione, ostacolato dal comportamento complesso e poco compreso dei bersagli laser quando vaporizzano e implodono. L’esperienza ha portato a un nuovo design sia dei bersagli che degli impulsi laser e a strumenti migliori per monitorare le “implosioni”. Oggi i ricercatori del NIF ritengono di essere a un passo da un’importante pietra miliare intermedia nota come “plasma ardente” dove la fusione si autosostiene grazie al proprio calore senza immissione di energia dai laser.
L’autoriscaldamento è la chiave per accendere tutto il carburante e ottenere un guadagno energetico. Una volta che il NIF raggiunge tale soglia, le simulazioni suggeriscono che la via per l’accensione è più semplice, afferma Mark Herrmann, che sovrintende al programma di fusione del Livermore: “Stiamo spingendo più che possiamo”, racconta. “Puoi sentire l’accelerazione nella nostra comprensione”.
Anche chi non fa parte del progetto è impressionato. “Ti sembra che ci siano progressi costanti e meno congetture”, afferma Steven Rose, co-direttore del Center for Inertial Fusion Studies dell’Imperial College di Londra. “Si stanno allontanando dai progetti tradizionalmente tenuti e provano cose nuove”.
Il NIF, nonostante i risultati, ha visto una riduzione dei tentativi di accensione nel corso degli anni. Questa riduzione è stata fatta per riservare la gestione a esperimenti che simulano le detonazioni nucleari per verificare l’affidabilità delle testate. Le richieste di budget presidenziali negli ultimi anni hanno ripetutamente cercato di tagliare la ricerca sulla fusione a confinamento inerziale al NIF e altrove, solo per fare in modo che il Congresso la preservasse. Il finanziatore del NIF, la National Nuclear Security Administration (NNSA), sta esaminando i progressi della macchina per la prima volta in 5 anni. Sotto pressione per modernizzare l’arsenale nucleare, l’agenzia potrebbe decidere un ulteriore taglio.
La fusione è stata a lungo considerata una fonte di energia pulita, alimentata da isotopi di idrogeno facilmente reperibili e non producendo scorie radioattive a emivita breve. Il processo tuttavia rimane un sogno lontano, anche per reattori a confinamento magnetico come il progetto ITER in Francia, che mira a ottenere un guadagno energetico dopo il 2035.
Il NIF e altri dispositivi di fusione inerziale sarebbero una via di mezzo tra una reattore a confinamento magnetico e un motore a combustione interna, producendo energia attraverso ignizione di minuscoli pellet di combustibile. Mentre alcuni laser puntano i loro raggi direttamente sul pellet, i laser di NIF sono indiretti: i raggi riscaldano una piccolo contenitore d’oro delle dimensioni di una gomma da matita chiamata hohlraum, che emette raggi X destinati ad innescare la fusione riscaldando la capsula del carburante nel suo centro a decine di milioni di gradi e comprimendolo a miliardi di atmosfere.
Gli esperimenti effettuati nei primi 3 anni della campagna di accensione hanno prodotto solo circa 1 kilojoule (kJ) di energia ciascuno, inferiore ai 21 kJ pompati nella capsula dall’impulso a raggi X e molto al di sotto dei 1,8 megajoule (MJ) nel impulso laser originale. Siegfried Glenzer, che ha guidato la campagna iniziale, afferma che il team era “eccessivamente ambizioso” nel raggiungere l’accensione. “Ci affidavamo eccessivamente alle simulazioni”, afferma Glenzer, ora presso lo SLAC National Accelerator Laboratory.
Dopo la campagna di ignizione fallita, i ricercatori del NIF hanno potenziato i loro strumenti diagnostici. Hanno aggiunto più rilevatori di neutroni per avere una visione 3D di dove stavano avvenendo le reazioni di fusione. Hanno inoltre adattato quattro dei loro raggi laser per produrre impulsi ultracorti e ad alta potenza pochi istanti dopo l’implosione al fine di vaporizzare fili sottili vicino al bersaglio. I fili agiscono come una lampadina a raggi X, in grado di sondare il carburante mentre si comprime. “È come una TAC“, afferma lo scienziato planetario Raymond Jeanloz dell’Università della California, Berkeley, che utilizza NIF per replicare le pressioni al centro di pianeti giganti come Giove.
Con una visione più nitida, i ricercatori hanno rintracciato le perdite di energia dal pellet di combustibile che implode. Perdite dovute a difetti delle capsule di carburante o al loro guscio in plastica. Queste perdite sono state risolte migliorando le capsule e la loro produzione.
Il team ha migliorato inoltre la forma degli impulsi laser. I primi impulsi aumentavano lentamente di potenza, per evitare di riscaldare il carburante troppo rapidamente e renderlo più difficile da comprimere. Gli impulsi successivi sono aumentati in modo più aggressivo in modo che la capsula di plastica avesse meno tempo per mescolarsi con il carburante durante la compressione, una tattica che ha aumentato leggermente i rendimenti. Nell’attuale campagna, iniziata nel 2017, i ricercatori stanno aumentando le temperature ingrandendo il hohlraum e la capsula fino al 20%, e aumentando l’energia dei raggi X che la capsula può assorbire. Per aumentare la pressione, estendono la durata dell’impulso e passano da capsule di plastica a capsule di diamante, più dense, per comprimere il carburante in modo più efficiente.
Il NIF ha cosi raggiunto rendimenti prossimi a 60 kJ. Ma Herrmann dice che un recente tentativo, discusso alla riunione della Divisione di Fisica del Plasma dell’American Physical Society lo ha superato. I tentativi ripetuti sono pianificati per valutare quanto sono arrivati vicini ​​a un plasma che si autosostiene, che si prevede si verifichi intorno ai 100 kJ. Anche alla massima compressione, i ricercatori del NIF ritengono che solo il centro del carburante sia abbastanza caldo da iniziare i processi di fusione. In una scoperta incoraggiante, vedono il punto caldo ricevere energia dai nuclei di elio in movimento frenetico ottenuti dalle reazioni di fusione. Se il NIF potrà pompare solo un po ‘più di energia, dovrebbe innescare un’onda che correrà fuori dal punto caldo, bruciando altro carburante.
Herrmann ritiene che il team ha ancora margine per riuscire, potrebbe portare temperature e pressioni a livelli abbastanza alti da sostenere la combustione del plasma e l’accensione. Stanno testando diverse forme di hohlraum per focalizzare meglio l’energia sulla capsula. Stanno sperimentando capsule a doppia parete che potrebbero intrappolare e trasferire l’energia dei raggi X in modo più efficiente. Immergendo il carburante in una schiuma all’interno della capsula, invece di congelarlo come ghiaccio, sperano di formare un punto caldo centrale migliore.
Sarà sufficiente per raggiungere l’accensione? Se questi passaggi non sono sufficienti, aumentare l’energia del laser sarebbe l’opzione successiva. I ricercatori del NIF hanno testato gli aggiornamenti su quattro delle linee laser e sono riusciti a ottenere un aumento di energia che, se gli aggiornamenti fossero applicati a tutti i raggi, porterebbe l’intera struttura vicino a 3 MJ.
Questi aggiornamenti, ovviamente, richiederebbero tempo e denaro che NIF potrebbe non ottenere. Gli scienziati al lavoro sulla fusione al NIF e altrove stanno aspettando con ansia le conclusioni della revisione NNSA. “Quanto lontano possiamo arrivare?” Chiede Herrmann. “Sono ottimista. Spingeremo il NIF il più lontano possibile”.
Fonte: Science