Gli scienziati americani hanno annunciato quello che hanno definito un importante passo avanti in un obiettivo a lungo sfuggente di creare energia dalla fusione nucleare.
Il 13 dicembre 2022 il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha affermato che per la prima volta, e dopo diversi decenni di tentativi, gli scienziati sono riusciti a ottenere più energia dal processo di quanta ne avessero immessa.
Ma quanto è significativo lo sviluppo? E quanto è lontano il sogno a lungo cercato della fusione che fornisca energia abbondante e pulita? Carolyn Kuranz, professore associato di ingegneria nucleare presso l'Università del Michigan che ha lavorato presso la struttura che ha appena battuto il record di fusione, aiuta a spiegare questo nuovo risultato.
Cosa è successo nella camera di fusione?
fusione è una reazione nucleare che combina due atomi per creare uno o più nuovi atomi con una massa totale leggermente inferiore. La differenza di massa viene rilasciata come energia, come descritto dalla famosa equazione di Einstein, E = mc2 , dove l'energia è uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato. Poiché la velocità della luce è enorme, convertire anche solo una piccola quantità di massa in energia, come accade nella fusione, produce una quantità altrettanto enorme di energia.
Ricercatori del governo degli Stati Uniti Impianto di accensione nazionale in California hanno dimostrato, per la prima volta, ciò che è noto come "accensione a fusione". L'accensione è quando una reazione di fusione produce più energia di quella che viene immessa nella reazione da una fonte esterna e diventa autosufficiente.
La tecnica utilizzata presso il National Ignition Facility prevedeva di sparare a 192 laser contro a Palline di combustibile da 0.04 pollici (1 mm). fatto di deuterio e trizio, due versioni dell'elemento idrogeno con neutroni extra, posti in un contenitore d'oro. Quando i laser colpiscono il contenitore, producono raggi X che riscaldano e comprimono la pastiglia di combustibile a circa 20 volte la densità del piombo e a più di 5 milioni di gradi Fahrenheit (3 milioni di gradi Celsius), circa 100 volte più calda della superficie del sole. Se riesci a mantenere queste condizioni per un tempo sufficientemente lungo, il il carburante si fonderà e rilascerà energia.
Il carburante e la bombola vengono vaporizzati in pochi miliardesimi di secondo durante l'esperimento. I ricercatori sperano quindi che le loro apparecchiature siano sopravvissute al calore e abbiano misurato accuratamente l'energia rilasciata dalla reazione di fusione.
Quindi cosa hanno realizzato?
Per valutare il successo di un esperimento di fusione, i fisici osservano il rapporto tra l'energia rilasciata dal processo di fusione e la quantità di energia all'interno dei laser. Questo rapporto è detto guadagno.
Qualunque cosa al di sopra di un guadagno di uno significa che il processo di fusione ha rilasciato più energia di quella erogata dai laser.
Il 5 dicembre 2022, il National Ignition Facility ha sparato una pallina di carburante con due milioni di joule di energia laser, circa la quantità di energia necessaria per far funzionare un asciugacapelli per 15 minuti, il tutto contenuto in pochi miliardesimi di secondo. Ciò ha innescato una reazione di fusione che rilasciato tre milioni di joule. Questo è un guadagno di circa 1.5, infrangendo il precedente record di un guadagno di 0.7 raggiunto dalla struttura ad agosto 2021.
Quanto è importante questo risultato?
Energia di fusione è stato il "Santo Graal" della produzione di energia per quasi mezzo secolo. Mentre un guadagno di 1.5 è, credo, una svolta scientifica davvero storica, c'è ancora molta strada da fare prima che la fusione diventi una fonte di energia praticabile.
Sebbene l'energia laser di 2 milioni di joule fosse inferiore alla resa di fusione di 3 milioni di joule, la struttura ha impiegato quasi 300 milioni di joule per produrre i laser utilizzato in questo esperimento. Questo risultato ha dimostrato che l'accensione per fusione è possibile, ma ci vorrà molto lavoro per migliorare l'efficienza fino al punto in cui la fusione può fornire un ritorno energetico netto positivo quando si prende in considerazione l'intero sistema end-to-end, non solo un singola interazione tra i laser e il carburante.
Cosa deve essere migliorato?
Ci sono un certo numero di pezzi del puzzle della fusione che gli scienziati hanno costantemente migliorato per decenni per produrre questo risultato, e ulteriori lavori possono rendere questo processo più efficiente.
In primo luogo, i laser erano solo inventato in 1960. Quando il governo degli Stati Uniti ha completato la costruzione del National Ignition Facility nel 2009, era la struttura laser più potente al mondo, in grado di fornire un milione di joule di energia verso un bersaglio. I due milioni di joule che produce oggi sono 50 volte più energetici del prossimo laser più potente sulla Terra. Laser più potenti e modi meno energivori per produrre quei potenti laser potrebbero migliorare notevolmente l'efficienza complessiva del sistema.
Le condizioni di fusione sono molto impegnativo da sosteneree qualsiasi piccola imperfezione nella capsula o nel carburante può aumentare il fabbisogno energetico e diminuire l'efficienza. Gli scienziati hanno fatto molti progressi per trasferire in modo più efficiente l'energia dal laser al contenitore e la Radiazione a raggi X dal contenitore alla capsula del carburante, ma attualmente solo circa 10 per cento 30 dell'energia laser totale viene trasferita al canister e al carburante.
Infine, mentre una parte del combustibile, il deuterio, è naturale abbondante nell'acqua di mare, il trizio è molto più raro. La fusione stessa produce effettivamente trizio, quindi i ricercatori sperano di sviluppare modi per raccogliere direttamente questo trizio. Nel frattempo ci sono altri metodi disponibili per produrre il combustibile necessario.
Questi e altri ostacoli scientifici, tecnologici e ingegneristici dovranno essere superati prima che la fusione produca elettricità per la tua casa. Sarà inoltre necessario lavorare per ridurre notevolmente il costo di una centrale elettrica a fusione US $ 3.5 miliardi della National Ignition Facility. Questi passaggi richiederanno investimenti significativi sia da parte del governo federale che dell'industria privata.
Vale la pena notare che c'è una corsa globale intorno alla fusione, con molti altri laboratori in tutto il mondo perseguire tecniche diverse. Ma con il nuovo risultato del National Ignition Facility, il mondo ha, per la prima volta, visto la prova che il il sogno della fusione è realizzabile.
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
Immagine di credito: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti/Lawrence Livermore National Laboratory
