Dopo aver fallito nel riprodurre il colpo di energia da fusione da record dell'anno scorso, gli scienziati della National Ignition Facility degli Stati Uniti sono tornati al tavolo da disegno. Edwin Cartlidge discute i loro prossimi passi
Un colpo da record al National Ignition Facility nel 2021 che ha prodotto 1.37 MJ non è stato riprodotto. (Per gentile concessione: LLNL)
L'8 agosto dello scorso anno, i fisici del Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti hanno utilizzato il laser più grande del mondo per eseguire un esperimento da record. Impiegando le 192 travi dei 3.5 miliardi di dollari Impianto di accensione nazionale (NIF) per far implodere una capsula delle dimensioni di un granello di pepe contenente deuterio e trizio, hanno causato la fusione dei due isotopi di idrogeno, generando una reazione di fusione autosufficiente per una frazione di secondo. Con il processo che emette oltre il 70% dell'energia utilizzata per alimentare il laser, la scoperta ha suggerito che i laser giganti potrebbero ancora consentire una nuova fonte di energia sicura, pulita ed essenzialmente illimitata.
Il risultato ha messo i ricercatori del laboratorio Livermore in uno stato d'animo celebrativo, dopo aver lottato per più di un decennio per fare progressi significativi. Ma l'eccitazione iniziale svanì presto quando diversi tentativi successivi di riprodurre il risultato fallirono, raccogliendo nel migliore dei casi solo la metà della produzione da record. Con la direzione di Livermore che ha deciso di provare solo una manciata di esperimenti ripetuti, il laboratorio ha sospeso la ricerca del pareggio e ha invece cercato di capire cosa stava causando la variazione della produzione.
Per i critici del NIF, l'ultima correzione di rotta non è stata una sorpresa, dimostrando apparentemente ancora una volta l'inadeguatezza della struttura come banco di prova per una robusta produzione di energia da fusione. Ma molti scienziati rimangono ottimisti e gli stessi ricercatori del NIF sono usciti combattendo, pubblicando di recente il risultato del loro colpo da record in Physical Review Letters (129 075001). Insistono sul fatto che, dopo tutto, hanno raggiunto "l'accensione", raggiungendo il punto in cui il riscaldamento delle reazioni di fusione supera il raffreddamento, creando un ciclo di feedback positivo che aumenta rapidamente la temperatura del plasma.
Omar Hurricane, capo scienziato del programma di fusione di Livermore, sostiene che questa definizione di ignizione basata sulla fisica – piuttosto che la semplice descrizione del “pareggio energetico” – è quella che conta davvero. Descrivendo l'eventuale raggiungimento del pareggio come "il prossimo evento di pubbliche relazioni", afferma tuttavia che rimane un traguardo importante che lui ei suoi colleghi vogliono raggiungere. In effetti, i fisici al di là del laboratorio di Livermore sono fiduciosi che l'obiettivo tanto discusso verrà colpito. Steven Rose presso l'Imperial College nel Regno Unito ritiene che "ci sono tutte le prospettive" sarà raggiunto il pareggio.
Guadagno record
Il tentativo di sfruttare la fusione comporta il riscaldamento di un plasma di nuclei leggeri fino al punto in cui quei nuclei superano la loro reciproca repulsione e si combinano per formare un elemento più pesante. Il processo produce nuove particelle – nel caso di deuterio e trizio, nuclei di elio (particelle alfa) e neutroni – oltre a enormi quantità di energia. Se il plasma può essere mantenuto a temperature e pressioni adeguatamente immense per un tempo sufficientemente lungo, le particelle alfa dovrebbero fornire abbastanza calore per sostenere le reazioni da sole, mentre i neutroni possono potenzialmente essere intercettati per alimentare una turbina a vapore.
I tokamak di fusione utilizzano campi magnetici per confinare i plasmi per periodi abbastanza lunghi. Il NIF, come dispositivo di "confinamento inerziale", sfrutta invece le condizioni estreme create per un momento fugace all'interno di una minuscola quantità di combustibile di fusione altamente compresso prima che si ri-espanda. Il carburante è posto all'interno di una capsula sferica di 2 mm di diametro, che si trova al centro di un "hohlraum" metallico cilindrico lungo circa 1 cm e implode quando i raggi laser diretti con precisione del NIF colpiscono l'interno dell'hohlraum e generano un flusso di Raggi X.
A differenza dei tokamak, il NIF non è stato progettato principalmente per dimostrare l'energia, ma serve invece come controllo sui programmi per computer utilizzati per simulare le esplosioni di armi nucleari, dato che gli Stati Uniti hanno cessato i test dal vivo nel 1992. Tuttavia, dopo l'accensione nel 2009, presto divenne evidente che i programmi utilizzati per guidare le proprie operazioni avevano sottovalutato le difficoltà connesse, in particolare quando si trattava di affrontare le instabilità del plasma e di creare implosioni opportunamente simmetriche. Con il NIF che non ha raggiunto l'obiettivo iniziale di raggiungere l'accensione entro il 2012, la National Nuclear Security Administration degli Stati Uniti, che sovrintende al laboratorio, ha messo da parte quell'obiettivo per concentrarsi sul lungo compito di comprendere meglio le dinamiche dell'implosione.
All'inizio del 2021, a seguito di una serie di modifiche sperimentali, Hurricane e colleghi hanno finalmente dimostrato di poter utilizzare il laser per creare quello che è noto come plasma in fiamme, in cui il calore delle particelle alfa supera la fornitura di energia esterna. Hanno quindi apportato una serie di ulteriori modifiche, inclusa la riduzione dei fori di ingresso del laser dell'hohlraum e l'abbassamento della potenza di picco del laser. L'effetto è stato quello di spostare parte dell'energia dei raggi X più avanti nello sparo, il che ha aumentato la potenza trasferita al combustibile nucleare, spingendola abbastanza in alto da superare le perdite radiative e conduttive.
Nell'agosto 2021 i ricercatori del NIF hanno registrato il loro colpo di riferimento "N210808". L'hotspot al centro del combustibile in questo caso aveva una temperatura di circa 125 milioni di kelvin e un rendimento energetico di 1.37 MJ, circa otto volte superiore al loro miglior risultato precedente, ottenuto all'inizio dell'anno. Questa nuova resa implicava un “target gain” di 0.72 – rispetto all'uscita di 1.97 MJ del laser – e un “capsule gain” di 5.8 se si considerava invece l'energia assorbita dalla capsula.
Ancora più importante, per quanto riguarda Hurricane, l'esperimento ha soddisfatto anche quello che è noto come criterio di Lawson per l'accensione. Sviluppato per la prima volta dall'ingegnere e fisico John Lawson nel 1955, stabilisce le condizioni in cui l'autoriscaldamento della fusione supererà l'energia persa per conduzione e radiazione. Hurricane afferma che i risultati del NIF hanno soddisfatto nove diverse formulazioni del criterio per la fusione a confinamento inerziale, dimostrando così l'accensione "senza ambiguità".
Tre colpi e sei fuori
Dopo lo scatto da record, Hurricane e alcuni dei suoi colleghi scienziati del NIF erano ansiosi di replicare il loro successo. Ma la direzione del laboratorio non era così entusiasta. Secondo Marco Herrmann, allora vicedirettore per la fisica fondamentale delle armi di Livermore, sono stati istituiti diversi gruppi di lavoro sulla scia di N210808 per valutare i passi successivi. Dice che un team di gestione composto da circa 10 esperti in confinamento inerziale ha riunito questi risultati e ha elaborato un piano, che ha presentato a settembre.
Herrmann afferma che il piano conteneva tre parti: il tentativo di riprodurre N210808; analizzare le condizioni sperimentali che hanno consentito lo scatto da record; e cercando di ottenere “robusti rendimenti in megajoule”. La discussione del primo punto ha coinvolto ciò che Herrmann descrive come "una grande varietà di opinioni" tra i circa 100 scienziati che lavorano al programma di fusione. Alla fine, date le "risorse limitate" e un numero limitato di bersagli nel lotto contenente N210808, afferma che il team di gestione ha optato per solo tre colpi aggiuntivi.
Hurricane ha un ricordo leggermente diverso, dicendo che c'erano quattro ripetizioni. Questi esperimenti, dice, sono stati condotti per un periodo di circa tre mesi e hanno raggiunto rendimenti che andavano da meno di un quinto a circa la metà di quelli raggiunti ad agosto. Ma sostiene che questi scatti fossero comunque “ottimi esperimenti”, aggiungendo che soddisfacevano anche alcune formulazioni del criterio di Lawson. La differenza nelle prestazioni, dice, "non è così binaria come le persone hanno rappresentato".
Il processo di rivestimento al plasma è una ricetta, quindi, proprio come cuocere il pane, non viene sempre esattamente lo stesso
Uragano Omar
Per quanto riguarda ciò che ha causato questa enorme variazione di produzione, Herrmann afferma che l'ipotesi principale sono i vuoti e le fessure nelle capsule di carburante, che sono realizzate con diamante industriale. Spiega che queste imperfezioni possono essere amplificate durante il processo di implosione, facendo entrare il diamante nel punto caldo. Dato che il carbonio ha un numero atomico più alto del deuterio o del trizio, può irradiarsi in modo molto più efficiente, il che raffredda il punto caldo e riduce le prestazioni.
Hurricane concorda sul fatto che il diamante probabilmente gioca un ruolo importante nel variare le prestazioni da colpo a colpo. Sottolineando che ci si possono aspettare grandi variazioni nell'output data la non linearità delle implosioni di NIF, afferma che gli scienziati coinvolti non comprendono appieno il processo di rivestimento al plasma utilizzato durante la fabbricazione delle capsule. "È una ricetta", dice, "quindi, proprio come cuocere il pane, non viene sempre esattamente lo stesso".
La strada per l'energia da fusione
Hurricane afferma che il team sta ora studiando diversi modi per aumentare la produzione di NIF oltre a migliorare la qualità della capsula. Questi includono l'alterazione dello spessore della capsula, la modifica delle dimensioni o della geometria dell'hohlraum o eventualmente l'aumento dell'energia dell'impulso laser a circa 2.1 MJ per ridurre la precisione richiesta per il bersaglio. Dice che non esiste "nessun numero magico" quando si tratta del guadagno target, ma aggiunge che maggiore è il guadagno, maggiore è lo spazio dei parametri che può essere esplorato quando si fa la gestione delle scorte. Sottolinea inoltre che un guadagno di 1 non significa che la struttura stia generando energia netta, dato quanto poco dell'energia elettrica in entrata il laser converte in luce sul bersaglio - nel caso di NIF, meno dell'1%.
La lunga strada verso l'accensione
Michael Campbell dell'Università di Rochester negli Stati Uniti stima che il NIF potrebbe ottenere un guadagno di almeno 1 "nei prossimi 2-5 anni", dati adeguati miglioramenti all'hohlraum e al target. Ma sostiene che arrivare a guadagni commercialmente rilevanti di 50-100 richiederebbe probabilmente un passaggio dalla "guida indiretta" di NIF, che genera raggi X per comprimere il bersaglio, alla "guida diretta" potenzialmente più efficiente ma più complicata che si basa su la radiazione laser stessa.
Nonostante i diversi miliardi di dollari che potrebbero essere necessari, Campbell è ottimista sul fatto che un'adeguata struttura a trasmissione diretta possa dimostrare tali guadagni entro la fine degli anni '2030, in particolare, afferma, se è coinvolto il settore privato. Ma avverte che le centrali elettriche commerciali probabilmente non inizieranno a funzionare almeno fino alla metà del secolo. "L'energia da fusione è a lungo termine", dice, "penso che le persone debbano essere realistiche riguardo alle sfide".
