Fusione nucleare: un passo avanti importante nella ricerca

Fusione nucleare, per la prima volta una reazione a risultato positivo. Eh sì, perchè fino ad oggi tutti gli esperimenti avevano richiesto più energia di quella prodotta.

La notizia arriva dagli Stati Uniti, dove gli scienziati di un impianto federale di armi nucleari in California hanno compiuto un progresso potenzialmente significativo nella ricerca sulla fusione. 
L'annuncio ufficiale da parte del Dipartimento dell'Energia americano dovrebbe arrivare oggi. Ma su Nature era già uscito un articolo scientifico.

L'anticipazione è di un funzionario governativo, che ha parlato in forma anonima, e ha affermato che l'esperimento di fusione presso il National Ignition Facility ha raggiunto quella che è nota come accensione, in cui l'energia di fusione generata è superiore all'energia laser che ha avviato la reazione.

Ricerca per l'energia o ricerca per la guerra

Come suddetto la ricerca nasce in un ambito preciso, quello delle armi nucleari.

Da fonti americane si legge che un tale sviluppo migliorerebbe la capacità degli Stati Uniti di mantenere le proprie armi nucleari senza test nucleari e potrebbe porre le basi per progressi futuri che potrebbero un giorno portare all'uso della fusione laser come fonte di energia priva di carbonio.

La ricerca sulla fusione di NIF

Il team delal National Ignition Facility ha utilizzato 192 laser ad alta potenza, tutti focalizzati in una camera chiamata hohlraum che ha all'incirca le dimensioni e la forma della gomma di una matita e contiene la capsula di carburante di deuterio e trizio.

L'energia laser riscalda e vaporizza lo strato esterno della capsula, soffiandolo via e creando un rinculo che comprime e riscalda il carburante al centro.

Nel metodo NIF, i raggi laser non innescano direttamente la detonazione, ma colpiscono invece la superficie interna dell'hohlraum, scatenando un furioso bagno di raggi X che comprimono la capsula all'interno della minuscola camera.

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità di avviare la fusione in questo modo già negli anni '70. Ma arrivare al punto in cui il plasma brucia è stato un processo lento, pieno di ostacoli tecnici e battute d'arresto. "Per molti decenni, i ricercatori sono stati in grado di ottenere reazioni utilizzando molto riscaldamento esterno per riscaldare il plasma", afferma Alex Zylstra di LLNL, un membro del team NIF. "In un plasma in fiamme, che ora abbiamo creato per la prima volta, le stesse reazioni di fusione forniscono la maggior parte del riscaldamento". Queste condizioni durano solo per circa 100 trilionesimi di secondo prima che l'energia del plasma venga dissipata.

"Non c'era nessun segreto che permettesse loro di fare questa svolta, ma tutta una serie di piccoli progressi", dice Tynan. Per avere qualche speranza di far sì che il processo di fusione si sostenga da solo, l'energia che produce dovrebbe essere depositata principalmente negli strati di combustibile adiacenti piuttosto che fuoriuscire dalla capsula per riscaldare l'ambiente circostante. Ciò significa che la capsula deve essere sufficientemente grande e densa per mantenere l'energia all'interno mentre continua a collassare simmetricamente, che è uno dei problemi che il team NIF ha risolto.

I ricercatori hanno anche ottimizzato il design dell'hohlraum per garantire che il suo interno si riempia uniformemente di raggi X, creando infine un'implosione più uniforme, più forte ed efficiente della capsula del carburante. "Dovevamo imparare a controllare meglio la simmetria mentre aumentavamo l'implosione", dice Hurricane. Tali miglioramenti hanno richiesto decenni di sforzi. "È stato un processo di tentativi ed errori molto lungo, guidato dai calcoli", afferma Tynan.

Delle corse sperimentali segnalate dai ricercatori del NIF, quattro condotte nel 2020 e all'inizio del 2021 hanno superato la soglia di produzione di fusione per un plasma in fiamme. Il più recente di questi è stato nel febbraio 2021, quindi "ci è voluto chiaramente del tempo per convincere i colleghi della validità dei loro risultati", afferma Vladimir Tikhonchuk, fisico del plasma presso l'Università di Bordeaux in Francia, che non era coinvolto con il lavoro. Ma evidentemente lo hanno fatto. "Credo davvero che la pubblicazione di questi documenti sia un importante evento scientifico", aggiunge Tikhonchuk.

Rendere praticabile la fusione richiede però qualcosa di più della semplice combustione del plasma.

Per prima cosa, anche se il plasma si autoriscalda, potrebbe comunque irradiare più calore di quello che genera, compresa l'energia persa quando l'implosione esplode dopo aver raggiunto il picco di compressione. "Anche se stai bruciando, la reazione svanisce se le perdite radiative sono troppo elevate", dice Tynan. Ma il team NIF osserva che, in una delle sue corse, il riscaldamento ha superato tali perdite.

Perchè è importante questo risultato ?

Lancaster è ottimista al riguardo. "Ora siamo in un regime in cui miglioramenti modesti possono creare enormi guadagni nell'energia prodotta", afferma. "Siamo decisamente passati da un 'se' a un 'quando' per l'accensione".

Fonti: New York Times, Nature, Scientific American