La pietra miliare dell'accensione del National Ignition Facility dà una nuova spinta alla fusione laser

Per oltre un decennio, i fisici del Lawrence Livermore National Laboratory in California hanno tentato di fare qualcosa in laboratorio che in precedenza si era verificato solo all'interno delle testate delle bombe all'idrogeno. Il loro obiettivo è stato quello di utilizzare intensi impulsi di luce provenienti dal più grande laser del mondo, da 3.5 miliardi di dollari Impianto di accensione nazionale (NIF) - per frantumare minuscole capsule di combustibile a idrogeno in modo tale che le temperature e le pressioni eccezionali create in esse producano reazioni di fusione che producono energia. Fino alla fine dello scorso anno, una serie di contrattempi tecnici aveva impedito loro di raggiungere il loro obiettivo, noto come accensione. Ma subito dopo l'una di notte del 1 dicembre un'esplosione di neutroni più grande del solito nei rivelatori che circondano il fuoco del laser segnalato il successo – le reazioni in questo caso hanno prodotto più di 1.5 volte l'energia consumata.

L'impresa ha fatto notizia in tutto il mondo e ha stimolato l'immaginazione del pubblico, dei politici e degli esperti di fusione. Il segretario all'energia degli Stati Uniti Jennifer Granholm ha salutato il "risultato fondamentale", mentre Michael Campbell dell'Università di Rochester negli Stati Uniti ha descritto il risultato come un "momento dei fratelli Wright" per la ricerca sulla fusione. Per Steven Rose dell'Imperial College di Londra, l'annuncio rimuove ogni dubbio persistente sul fatto che energie di fusione così elevate siano raggiungibili. "Se non ottieni un guadagno di energia maggiore di uno, le persone potrebbero affermare che non potrai mai raggiungerlo", dice.

Il risultato ha rinnovato l'ottimismo sul fatto che la fusione potrebbe finalmente consentire una nuova fonte di energia pulita, sicura, protetta e sostenibile. Ora, i governi e soprattutto le aziende private stanno cercando di sfruttare l'enorme potenziale dell'energia da fusione, con alcune aziende che promettono persino che forniranno elettricità alla rete da centrali elettriche pilota entro l'inizio del prossimo decennio.

Alcuni scienziati, tuttavia, ritengono che tali tempi non siano realistici, dati gli enormi ostacoli tecnici che rimangono sulla strada per l'energia da fusione. Altri sostengono che un orizzonte temporale di 10-15 anni sia fattibile, purché i ricercatori ei loro finanziatori adottino la giusta mentalità. Per Troy Carter dell'Università della California, Los Angeles, ciò significa porre fine alla dipendenza da strutture grandi, costose e centralizzate come il NIF delle dimensioni di uno stadio di calcio e rivolgersi invece a progetti più piccoli ed economici guidati dal settore privato più tollerante al rischio. "Dobbiamo cambiare il modo in cui facciamo affari", dice.

Finalmente sul bersaglio

Sfruttare l'energia emessa quando i nuclei leggeri si fondono richiede che il combustibile nucleare sia mantenuto sotto forma di plasma a temperature di circa 100 milioni di kelvin. Un modo per farlo è confinare il plasma in un campo magnetico per periodi di tempo piuttosto lunghi riscaldandolo con onde radio o fasci di particelle. Finora, tale "confinamento magnetico" è stata la via preferita dai fisici per l'energia da fusione. Questo sarà utilizzato nei reattori pubblici e privati ​​più costosi del mondo: i $ 20 + miliardi ITER impianto in costruzione nel sud della Francia e una macchina costruita dall'azienda Sistemi di fusione del Commonwealth al di fuori di Boston, negli Stati Uniti, che finora ha raccolto almeno $ 2 miliardi di finanziamenti.

Piuttosto che tentare di ottenere uno stato stazionario, i reattori a "confinamento inerziale" funzionano in qualche modo come un motore a combustione interna, generando energia attraverso un ciclo ripetitivo di esplosioni che creano fugacemente temperature e pressioni enormi. NIF lo fa amplificando e focalizzando 192 raggi laser su un minuscolo cilindro di metallo cavo al centro del quale si trova una capsula delle dimensioni di un granello di pepe contenente gli isotopi di idrogeno deuterio e trizio. I raggi X generati dalle pareti del cilindro esplodono dalla superficie esterna della capsula, costringendo il resto di essa verso l'interno grazie alla conservazione della quantità di moto e causando la fusione dei nuclei di deuterio e trizio al suo interno - nel processo rilasciando particelle alfa (nuclei di elio ), neutroni e molta energia.

Questo processo è estremamente impegnativo e richiede una messa a fuoco del raggio eccezionalmente precisa e capsule ultra lisce per garantire le implosioni quasi perfettamente simmetriche necessarie per la fusione. In effetti, le instabilità nel plasma create dalle implosioni e dai difetti nelle capsule, tra le altre cose, hanno fatto sì che i ricercatori di Livermore fossero ben al di sotto del loro obiettivo iniziale di accensione (o "breakeven") entro il 2012. Ma attraverso una serie di scrupolose misurazioni con colpi laser successivi sono stati in grado di perfezionare gradualmente la loro configurazione sperimentale e infine sparare il colpo storico, producendo 3.15 milioni di joule (MJ) di energia di fusione dopo aver erogato 2.05 MJ di energia laser al bersaglio.

Omar Hurricane, capo scienziato del programma di fusione a confinamento inerziale di Livermore, afferma che ora hanno in programma di "ripriorizzare" il loro lavoro per spingere verso guadagni più elevati e riproducibili aumentando l'energia laser di NIF in incrementi di circa 0.2 MJ. Intendono inoltre studiare l'effetto della variazione dello spessore del combustibile nucleare all'interno delle capsule e della riduzione delle dimensioni dei fori di ingresso laser del cilindro. Tuttavia, sottolinea che il NIF non è mai stato progettato per dimostrare l'energia di fusione pratica, dato che lo scopo principale della struttura è fornire dati sperimentali per supportare le scorte di armi nucleari degli Stati Uniti (non più testate). In quanto tale, NIF è estremamente inefficiente: il suo laser pompato con lampada flash da 2 MJ richiede circa 400 MJ di energia elettrica, che equivale a un'efficienza "presa a muro" di appena lo 0.5%.

Il National Ignition Facility dimostra per la prima volta al mondo il guadagno netto di energia da fusione

Riccardo Betti dell'Università di Rochester afferma che i laser moderni pompati da diodi potrebbero raggiungere efficienze fino al 20%, ma sottolinea che i margini richiesti per le centrali elettriche (inclusa l'energia persa durante la conversione del calore in elettricità) significa che anche questi dispositivi avranno bisogno di guadagni target di "almeno 50– 100” (rispetto a 1.5 del NIF). Dovranno anche "sparare" più volte al secondo, mentre il NIF genera solo un colpo circa una volta al giorno. Questo alto tasso di ripetizione richiederebbe obiettivi prodotti in serie che costano al massimo poche decine di centesimi, rispetto alle centinaia di migliaia di dollari necessari per quelli del NIF (che sono realizzati con oro e diamanti sintetici).

Entrare nel mercato

Una società che crede di poter commercializzare l'energia da fusione nonostante tutti gli ostacoli è una società con sede in California Sistemi energetici di fusione Longview. Istituito nel 2021 da diversi ex scienziati di Livermore, tra cui l'ex direttore del NIF Edward Moses, Longview mira a combinare il design del bersaglio del NIF con i laser a stato solido pompati a diodi. La società ha annunciato la sua esistenza lo stesso giorno in cui Livermore ha riportato il colpo da record di NIF, dicendo che prevedeva di iniziare a costruire una centrale elettrica pilota entro i prossimi cinque anni.

Longview afferma che intende fornire 50 MW di elettricità alla rete entro il 2035 al più tardi. L'azienda riconosce che questo non sarà facile, prevedendo un'efficienza del laser e un tasso di ripetizione rispettivamente del 18% e 10-20 Hz. In particolare, afferma che sebbene i diodi necessari esistano già, "non sono ancora stati confezionati in una linea di luce integrata per un laser su scala di fusione". Ma rimane fiducioso di poter rispettare la scadenza, osservando che il laser è all'interno di un fattore due della soglia di danno ottico necessaria per l'impianto pilota.

Non tutti sono convinti. Stephen Bodner, già capo del programma di fusione laser presso il Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti a Washington DC, sostiene che la tecnologia "a propulsione indiretta" del NIF spreca troppa energia nella generazione di raggi X (piuttosto che illuminare direttamente le capsule di carburante). È anche scettico sull'affermazione di Longview secondo cui può ridurre il costo obiettivo a meno di $ 0.30 distribuendo le considerevoli spese di ingegneria e capitale sui 500 milioni di obiettivi che afferma di aver bisogno per il suo impianto pilota. "Non è possibile che un obiettivo di fusione come quello utilizzato su NIF possa mai essere migliorato abbastanza per l'energia di fusione commerciale", afferma.

La pietra miliare della fusione laser del National Ignition Facility accende il dibattito

Eppure Longview è tutt'altro che l'unica a credere di avere la tecnologia a portata di mano per portare l'energia da fusione nel mondo. Un rapporto compilato lo scorso anno dal Associazione dell'industria della fusione L'organismo commerciale elenca 33 società negli Stati Uniti e altrove che lavorano sulla tecnologia della fusione, molte delle quali hanno anche tempistiche serrate per lo sviluppo di centrali elettriche. Una di queste società è First Light, con sede vicino a Oxford, nel Regno Unito. Invece di utilizzare impulsi laser per comprimere le capsule di carburante, First Light lancia invece proiettili materiali - pezzi di metallo a forma di francobollo - a velocità estremamente elevate utilizzando la forza elettromagnetica fornita da un enorme banco di condensatori che si scaricano tutti quasi istantaneamente. I proiettili colpiscono bersagli appositamente realizzati, ognuno dei quali dirige e aumenta la pressione dell'impatto su una capsula di carburante incorporata all'interno.

La società ha finora raccolto finanziamenti per circa 80 milioni di sterline e ha dimostrato la fusione utilizzando il più grande impianto di energia pulsata in Europa. I prossimi passi, secondo il co-fondatore e amministratore delegato Nicholas Hawker, saranno la dimostrazione dell'accensione con una macchina molto più grande tra circa cinque anni e poi un impianto pilota tra "l'inizio e la metà degli anni '2030". Hawker ammette che ci attendono numerose sfide, come essere in grado di caricare i proiettili uno dopo l'altro e sviluppare interruttori ad alta tensione adeguatamente robusti, ma è fiducioso che la fisica dello schema sia solida. "La capsula di carburante è esattamente la stessa del NIF, quindi il recente risultato riduce enormemente anche il nostro sistema". 

Soldi necessari

Quando si tratta di fisica, Betti ritiene che la fusione a confinamento inerziale sia in una posizione migliore rispetto al confinamento magnetico. Mentre NIF ha ora dimostrato che il primo può generare reazioni autosufficienti, sostiene che le instabilità generate vicino alla soglia di accensione significano che ci sono ancora grandi incertezze sul fatto che i tokamak possano seguire l'esempio. Tuttavia, afferma che entrambe le forme di fusione devono superare ostacoli formidabili se vogliono produrre energia economicamente competitiva, compresa la dimostrazione di alti guadagni da obiettivi prodotti in serie quando si tratta di fusione laser. "Trovo difficile credere che un sistema energetico possa essere pronto in 10 anni", dice.

Gli scienziati del NIF hanno svolto un lavoro eccellente negli ultimi dieci anni risolvendo alcuni problemi di fisica molto difficili. Dovrebbero essere riconosciuti per il loro grande lavoro

Stefano Bodner

Carter è più ottimista. Sostiene che gli impianti pilota potrebbero essere realizzati in circa un decennio, a condizione che le società private guidino la carica nella loro costruzione mentre i governi sostengono la ricerca di base più basilare come quella sui materiali resistenti alle radiazioni. Ma avverte che i finanziamenti necessari saranno considerevoli: circa 500 milioni di dollari in più all'anno nel caso del governo degli Stati Uniti. Se i soldi arriveranno, aggiunge, gli impianti commerciali su vasta scala potrebbero quindi entrare in funzione "prima del 2050".

Per quanto riguarda quale tecnologia finirà all'interno degli stabilimenti, Bodner insiste che non si baserà su guida indiretta. Molto probabilmente, sostiene, si tratterà di confinamento inerziale basato su un diverso tipo di sistema laser come i laser a gas a fluoruro di argon. Ma riconosce che il ridimensionamento di qualsiasi sistema porta incertezze. E loda gli scienziati del NIF per aver portato la ricerca sulla fusione a questo punto. "Hanno svolto un lavoro eccellente negli ultimi dieci anni risolvendo alcuni problemi di fisica molto difficili", afferma. "Dovrebbero essere riconosciuti per il loro grande lavoro."

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/