Piccoli passi sulla strada per l'energia di fusione

Un millimetro

Mentre si avvicina al suo quinto compleanno, il National Ignition Facility (NIF), un travagliato impianto di fusione laser in California, ha finalmente prodotto alcuni risultati che gli scienziati della fusione possono entusiasmare. In una serie di esperimenti alla fine dello scorso anno, i ricercatori della NIF sono riusciti a produrre rendimenti energetici 10 volte maggiori di quelli prodotti in precedenza e a dimostrare il fenomeno dell'auto-riscaldamento che sarà cruciale se la fusione raggiungerà il suo obiettivo finale di "accensione". -sostenere una reazione di combustione che produce più energia di quanta ne consuma.

"Questo è un risultato molto significativo, ed è un ottimo punto di partenza per ottenere un rendimento più elevato", afferma Steven Rose del Center for Inertial Fusion Studies all'Imperial College di Londra.

Il NIF, situato presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, mira a riprodurre la fonte di energia del sole e delle bombe all'idrogeno fondendo nuclei di due isotopi di idrogeno: deuterio e trizio. Lo fa riscaldandoli a temperature e pressioni enormi con il laser a più alta energia del mondo, così che i nuclei si sfasciano insieme con una forza sufficiente a superare la loro naturale repulsione reciproca.

Dopo il suo completamento nel 2009, i ricercatori del NIF hanno intrapreso una campagna di 3 anni per ottenere l'accensione il più rapidamente possibile. Ma quando quel periodo finì, erano fermi molto lontano dal loro obiettivo . Il Congresso degli Stati Uniti ha concesso al laboratorio altri 3 anni per condurre una serie di esperimenti più esplorativa e identificare i problemi.

I nuovi risultati, pubblicati oggi a Natura e la settimana scorsa a Lettere di revisione fisica , sono il primo segno che questo approccio funziona. "È un bel risultato", afferma Robert McCrory, direttore del Laboratory for Laser Energetics dell'Università di Rochester di New York, un altro laboratorio di fusione laser, aggiungendo rapidamente che il NIF è ancora lontano dall'accensione. "Le persone che si aspettano una svolta presto saranno deluse", dice.

Per raggiungere le condizioni estreme necessarie per la fusione, alcune strutture, come il reattore ITER in Francia, utilizzano potenti campi magnetici per limitare il combustibile e riscaldarlo con fasci di particelle. Il NIF segue un approccio diverso: lanciare un piccolo campione di carburante con un impulso laser per fare una piccola esplosione di fusione. Se tutto funziona correttamente, l'esplosione avrà un'energia superiore a quella dell'impulso laser, offrendo un guadagno energetico netto. Il laser NIF, delle dimensioni di uno stadio di calcio, produce 192 raggi ultravioletti in grado di erogare 1,9 megajoule - all'incirca l'energia cinetica di un camion da 2 tonnellate che viaggia a 160 chilometri all'ora - in un impulso che dura solo nanosecondi.

I raggi ultravioletti sono convertiti in raggi X, che poi cadono sulla capsula del combustibile, una sfera di plastica vuota più piccola di un granello di pepe che contiene 0,17 milligrammi di deuterio e trizio congelati. L'intenso impulso ai raggi X che colpisce la capsula fa esplodere parte della plastica; questo porta la plastica rimanente e il combustibile congelato verso il centro ad alta velocità. Se tutto va secondo i piani, il risultato è una piccola palla di combustibile per fusione a 50 milioni di Kelvin, 100 volte la densità di piombo abbastanza calda e abbastanza densa da provocare reazioni di fusione.

I piani originali del NIF per raggiungere l'accensione dipendevano in gran parte da simulazioni basate su precedenti lavori a Livermore e altri laboratori. Una volta che gli scienziati NIF hanno iniziato a sparare i loro colpi, l'intero processo sembrava funzionare e le simulazioni prevedevano che il NIF avrebbe dovuto ottenere molta fusione. Ma gli strumenti hanno raccontato una storia diversa: i rendimenti energetici erano molto bassi. Nel 2012, il Congresso ha ordinato un indagine , che alla fine ha criticato i ricercatori del NIF per non essere stati in grado di spiegare la divergenza tra simulazione ed esperimento. Nel 2013, i ricercatori del NIF hanno iniziato a esplorare i problemi in modo più scientifico; c'era anche un cambio di leadership al laboratorio e nuovi ricercatori si sono uniti al team.

Hanno identificato due problemi chiave. La compressione del pellet di carburante spesso non era simmetrica e produceva una massa di combustibile a forma di ciambella; e durante l'implosione, la capsula di plastica si rompeva e si mescolava con il carburante, rendendo più difficile la fusione di scintille alla fine.

Per affrontare il problema della forma, il nuovo team ha iniziato a giocare con le energie relative dei 192 raggi laser per spingere un po 'di più in alcuni punti e un po' meno in altri, nella speranza di ottenere un'implosione più simmetrica.

Per impedire la rottura della capsula, i ricercatori hanno regolato i tempi dell'impulso laser. Gli scatti precedenti l'avevano eseguito a bassa potenza per la maggior parte dei suoi 20 nanosecondi per far muovere l'implosione senza riscaldare il carburante e finire con una raffica di grande potenza per la scintilla finale. L'idea alla base di questo approccio "piede basso" era che il combustibile fresco si comprimeva ad una densità più elevata alla fine. Lo svantaggio era che la più lenta velocità consentiva alla capsula di rompersi. Nelle riprese a bassa quota, "ci sono troppe cose deleterie in atto in una volta, non è possibile vedere cosa sta succedendo", afferma Stephen Obenschain, capo del ramo di plasma laser della divisione di fisica del plasma presso il Naval Research Laboratory di Washington , DC

Il nuovo team NIF ha deciso di provare un impulso che ha iniziato con una potenza leggermente superiore, per far implodere il carburante più velocemente e terminare il polso prima, dopo appena 15 nanosecondi. Sebbene tali impulsi "a piede alto" non consentissero loro di raggiungere una densità più alta alla fine, i ricercatori speravano che avrebbe aiutato a controllare la miscelazione. Un colpo effettuato il 13 agosto dello scorso anno li ha provati, con un enorme salto di rendimento energetico. Altri due colpi, il 27 settembre e il 19 novembre, hanno fatto ancora meglio, producendo più energia (14,4 e 17,3 kilojoule) di quella che è stata depositata nel combustibile da fusione durante l'implosione (11 e 9 kilojoule) - la prima volta che è mai stato raggiunto in un esperimento di fusione laser. "Abbiamo fatto un passo indietro rispetto a quello che era stato tentato prima e questo ci ha dato un passo avanti", ha detto il capo della squadra NIF Omar Hurricane in una conferenza stampa questa settimana.

È importante sottolineare che il team ha visto anche un fenomeno di autoriscaldamento che sarà fondamentale per una maggiore produzione di fusione. Le reazioni di fusione producono particelle alfa (nuclei di elio) e neutroni, e quando le reazioni iniziano nel nucleo del combustibile, l'alfa aiuta a riscaldare il combustibile del radiatore circostante fino alla temperatura di reazione. Il team NIF pensa che nei loro scatti migliori, questo riscaldamento alfa raddoppi il loro rendimento in termini di fusione. "Gli Alpha fanno davvero scaldare il gas," dice Rose.

Gli osservatori notano anche che negli scatti dell'anno scorso c'era un accordo più stretto tra simulazioni e risultati sperimentali. "Facendo queste implosioni meno impegnative, i risultati sono ora d'accordo con i codici e questo è molto incoraggiante", afferma Michael Campbell, ex direttore del NIF ora al Sandia National Laboratories. "Ora possono fidarsi delle simulazioni in un modo in cui prima non potevano", dice Rose.

Tuttavia, i recenti scatti sono ancora lontani da quello che la maggior parte dei ricercatori di fusione considerano essere un "guadagno" reale: più energia di fusione fuori dall'energia laser. Sebbene i colpi producessero più rendimento dell'energia nel combustibile, gran parte dell'energia del laser è andata persa quando viene convertito dai raggi UV ai raggi X e focalizzato sulla capsula del carburante. Lo scatto migliore dello scorso anno ha prodotto meno dell'1% dell'energia dell'impulso laser.

Le opinioni sono divise su ciò che il team NIF dovrebbe fare ora. McCrory non crede che l'approccio attuale alla fine porterà ad una accensione di successo, quindi è necessaria più innovazione. "Stanno spingendo il più lontano possibile", dice. Rose è d'accordo: "Non sono sicuro che abbiano una strada verso il guadagno reale". Il problema è che i ricercatori hanno richiamato la pressione finale per controllare la miscelazione durante l'implosione; ora devono aumentare di nuovo la pressione per rendere il carburante abbastanza denso per alti rendimenti senza lasciare che si mescolino di nuovo. "Sì, ci siamo auto-limitati per ottenere questo controllo", ha detto Hurricane durante la conferenza stampa. "È un punto di partenza. Ora dobbiamo colpire in direzioni diverse ".

Nonostante le incertezze, i ricercatori sono incoraggiati dai rinnovati progressi del NIF. "Questi sono gli esperimenti giusti da fare", afferma Campbell. "Chi sa fino a che punto possono prendere questo?"

* Correzione, 12 febbraio, 5:06 pm: Questo articolo è stato corretto per chiarire che Stephen Obenschain è il capo del ramo del plasma laser della divisione di fisica del plasma presso il Naval Research Laboratory.

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