Accensione tramite fusione laser: mettere in prospettiva le scoperte sulla fusione nucleare

Questo mese i media erano in fermento per l’annuncio che la National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti aveva compiuto un passo avanti significativo nel tentativo di realizzare la fusione nucleare commerciale. Nello specifico, l'annuncio è stato che era stato misurato un guadagno netto di energia di fusione (Q) pari a circa 1,5: per un input di 2,05 MJ, sono stati prodotti 3,15 MJ.

Ciò che è stato notevole in questo evento rispetto alla produzione di 1,3 MJ dell'anno scorso è che dimostra una routine di accensione ottimizzata per i laser del NIF e che i cambiamenti nel modo in cui l'Hohlraum, contenente il combustibile deuterio-trizio (DT), viene mirato si traducono in risultati più efficaci compressione. All'interno di questo Hohlraum vengono prodotti raggi X che servono a comprimere il carburante. Con una pressione sufficiente, la barriera di Coulomb che generalmente impedisce ai nuclei di avvicinarsi tra loro può essere superata, e questa è la fusione.

Sulla base dei risultati preliminari, sembrerebbe che una piccola percentuale del carburante DT abbia subito fusione. Quindi la domanda successiva è: questo significa davvero che siamo più vicini ad avere reattori a fusione commerciali in grado di produrre molta energia?

Come va l’eterno braccio, la fusione nucleare è sempre a un decennio di distanza, sin dalla sua scoperta un centinaio di anni fa. Ciò che purtroppo manca in gran parte della comunicazione quando si tratta di ricerca e sviluppo della fisica fondamentale è spesso una comprensione più profonda di ciò che sta accadendo e del significato dei risultati riportati. Dato che abbiamo a che fare con la fisica fondamentale e ci stiamo dirigendo coraggiosamente verso nuove aree della fisica del plasma, dei magneti superconduttori ad alta temperatura, nonché di nuovi entusiasmanti campi nella ricerca sui materiali, tutto ciò che possiamo fare è fornire un'ipotesi solida e plausibile.

Con i reattori a fusione Z-pinch degli anni '50, sembrava che i reattori a fusione commerciali fossero disponibili anche solo a pochi anni di distanza. Basta pulsare correnti elevate attraverso il plasma per indurre la fusione, raccogliere l'energia e improvvisamente i tanto pubblicizzati reattori a fissione nucleare dell'epoca sembravano già reliquie del passato. Con i numeri Q inizialmente elevati riportati per i reattori a fusione Z-pinch, i giornali occuparono i titoli dei giornali nell’assoluta certezza che il Regno Unito avrebbe costruito i primi reattori a fusione, seguito dal resto del mondo.

Successivamente si scoprì che le misurazioni erano state interrotte e che né il presunto guadagno di fusione era stato così sorprendente come riportato, né nessuno era a conoscenza della gravità delle instabilità del plasma in questo tipo di reattori che ne complicavano l'uso. Fu solo con il progetto russo del tokamak, che aggiunse un campo elettromagnetico attorno al plasma, che sembrò che queste dinamiche del plasma potessero ora essere affrontate.

Sebbene all’epoca esistesse una soluzione alternativa sotto forma di stelleratori, questi richiedevano una geometria piuttosto complessa che seguisse il campo del plasma, anziché restringerlo. Ciò significa che non sono diventati attraenti fino agli anni '90, quando la potenza della simulazione computerizzata era abbastanza buona da modellare la forma richiesta di un simile reattore. Attualmente, lo stellerator Wendelstein 7-X (W7-X) è l’implementazione più grande e interessante di un tale reattore, che è stato recentemente completamente configurato con deviatori raffreddati che dovrebbero consentirne il funzionamento continuo.

Tutto ciò per dire che dagli anni Cinquanta sono successe molte cose, sono state tentate molte teorie, alcune sono rimaste bloccate, mentre altre hanno fallito. È su questo confine traballante tra i campi della fisica pratica e teorica, così come tra le scienze dei materiali e varie discipline ingegneristiche, che l’umanità si sta avvicinando sempre più alla realizzazione di un reattore a fusione commerciale pratico.

Il NIF presso i Lawrence Livermore National Laboratories (LLNL) utilizza la fusione a confinamento inerziale (ICF) basata su laser, il che significa essenzialmente che il carburante DT viene mantenuto in posizione mentre viene fatto esplodere per ottenere la fusione. Fondamentalmente questo non è significativamente più complicato di altri concetti di reattore a fusione, che tendono tutti a utilizzare il combustibile DT nella seguente reazione:

Durante la fusione dei due nuclei di idrogeno viene rilasciata una notevole quantità di energia, che può essere catturata per creare vapore e azionare un generatore. Nel frattempo i rifiuti di elio devono essere rimossi, i neutroni ad alta velocità (veloci) catturati e il carburante DT reintegrato. Confrontando questo con le tecnologie di fusione a confinamento magnetico (MCF) come i tokamak e gli stellerator, diventa chiaro perché l’ICF non è nemmeno nella stessa lega.