Ecco come gli scienziati hanno raggiunto per la prima volta l' "ignizione" della fusione nucleare

Uno dei progressi più importanti della fusione nucleare non sarebbe accaduto senza un'impeccabile arte scientifica.

Nel dicembre 2022, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory in California hanno creato reazioni di fusione che hanno prodotto un eccesso di energia - una prima volta. Nell'esperimento, 192 laser hanno colpito una piccola camera, dando avvio a reazioni di fusione - in cui nuclei atomici più piccoli si fondono per formare nuclei più grandi - che hanno rilasciato più energia di quella inizialmente prodotta (SN: 12/12/22). È un traguardo noto come "ignizione", ed è in corso da decenni.

Ora, i ricercatori hanno pubblicato i dettagli di tale esperimento in cinque articoli scientifici peer-reviewed pubblicati online il 5 febbraio su Physical Review Letters e Physical Review E. L'impresa ha richiesto un livello straordinario di finezza, perché le condizioni sono state ottimizzate per ottenere più energia dai laser e creare le condizioni ideali per la fusione.

Il lavoro è "straordinariamente bello", afferma il fisico Peter Norreys dell'Università di Oxford. Norreys, che non ha partecipato alla ricerca, confronta il risultato con la direzione di un'orchestra di classe mondiale: gli elementi dell'esperimento dovevano essere coordinati e temporizzati in modo meticoloso e preciso.

I ricercatori hanno scoperto anche un effetto di riscaldamento a lungo previsto che potrebbe svelare la fisica di altri ambienti violenti, come le stelle esplose chiamate supernove. "La gente dice che la fisica è una materia secca", afferma Norreys. "Ma penso sempre che la fisica sia all'avanguardia della creatività".

Il processo di fusione, lo stesso che avviene nel sole, è una fonte di energia affascinante. Le centrali elettriche a fusione non emetterebbero gas a effetto serra. E a differenza delle attuali centrali nucleari a fissione, che dividono i nuclei atomici per produrre energia, le centrali a fusione nucleare non produrrebbero rifiuti radioattivi pericolosi e a lunga vita. L'ignizione è il primo passo verso il controllo di tale potenza.

La generazione di fusione richiede pressioni e temperature estreme. Nell'esperimento, i laser del National Ignition Facility del LLNL hanno colpito l'interno di un cilindro vuoto, chiamato hohlraum, delle dimensioni di una gomma per cancellare. L'esplosione ha riscaldato l'hohlraum a 3 milioni di gradi Celsius, così caldo da emettere raggi X. All'interno di questo forno a raggi X, una capsula di diamante conteneva il combustibile: due varianti pesanti di idrogeno chiamate deuterio e trizio. La radiazione ha vaporizzato il guscio di diamante della capsula, innescando l'implosione del combustibile a velocità di circa 400 chilometri al secondo, creando le condizioni calde e dense che scatenano la fusione.

Gli esperimenti precedenti erano andati vicini all'ignizione. Per spingersi oltre, i ricercatori hanno aumentato l'energia dell'impulso laser da 1,92 milioni di joule a 2,05 milioni di joule. Ciò è stato ottenuto allungando leggermente l'impulso laser che colpisce il bersaglio per pochi nanosecondi, estendendolo di pochi frazioni di nanosecondo. (Aumentare direttamente la potenza del laser, anziché allungare l'impulso, avrebbe rischiato di danneggiare l'infrastruttura).

Il team ha anche spessito il guscio di diamante della capsula di circa il 7% - una differenza di pochi micrometri - che ha rallentato l'implosione della capsula, consentendo agli scienziati di sfruttare appieno l'impulso laser più lungo. "È stato un risultato notevole", afferma Norreys.

Ma queste modifiche hanno alterato la simmetria dell'implosione, il che ha richiesto altri aggiustamenti. È come cercare di comprimere una palla da basket delle dimensioni di un pisello, afferma la fisica Annie Kritcher del LLNL, "e cerchiamo di farlo in modo sfericamente simmetrico entro l'1 percento".

Ciò è particolarmente difficile a causa della miscela di particelle cariche elettricamente, o plasma, che riempie l'hohlraum durante il colpo del laser. Questo plasma può assorbire i raggi laser prima che raggiungano le pareti dell'hohlraum, compromettendo la simmetria dell'implosione.

Per bilanciare la situazione, Kritcher e i colleghi hanno leggermente modificato le lunghezze d'onda dei raggi laser in modo da consentire loro di trasferire energia da un raggio all'altro. Per risolvere il problema, hanno dovuto regolare le lunghezze d'onda dei raggi per pochi angstrom - decimi di miliardesimi di metro.

"Dal punto di vista ingegneristico, è incredibile che abbiano potuto fare questo", afferma la fisica Carolyn Kuranz dell'Università del Michigan, che non ha partecipato al lavoro. Inoltre, "questi lievi aggiustamenti fanno una differenza fenomenale".

Dopo tutte le modifiche, le reazioni di fusione successive hanno prodotto 3,15 milioni di joule di energia - circa 1,5 volte l'energia iniziale, come riferito da Kritcher e colleghi in Physical Review E. L'energia totale necessaria per alimentare i laser di NIF è molto più alta, circa 350 milioni di joule. Sebbene i laser di NIF non siano progettati per essere efficienti dal punto di vista energetico, ciò significa che la fusione è ancora lontana dall'essere una fonte di energia pratica.

Another experiment in July 2023 used a higher-quality diamond capsule and obtained an even larger energy gain of 1.9, meaning it released nearly twice as much energy as went into the reactions (SN: 10/2/23). In the future, NIF researchers hope to be able to increase the laser’s energy from around 2 million joules up to 3 million, which could kick off fusion reactions with a gain as large as 10.

The researchers also discovered a long-predicted phenomenon that could be useful for future experiments: After the lasers heated the hohlraum, it was heated further by effects of the fusion reactions, physicist Mordy Rosen and colleagues report in Physical Review Letters.

Following the implosion, the ignited fuel expanded outward, plowing into the remnants of the diamond shell. That heated the material, which then radiated its heat to the hohlraum. It’s reminiscent of a supernova, in which the shock wave from an exploding star plows through debris the star expelled prior to its explosion (SN: 2/8/17).

“This is exactly the collision that’s happening in this hohlraum,” says Rosen, of LLNL, a coauthor of the study. In addition to explaining supernovas, the effect could help scientists study the physics of nuclear weapons and other extreme situations.

NIF is not the only fusion game in town. Other researchers aim to kick off fusion by confining plasma into a torus, or donut shape, using a device called a tokamak. In a new record, the Joint European Torus in Abingdon, England, generated 69 million joules, a record for total fusion energy production, researchers reported February 8.

After decades of slow progress on fusion, scientists are beginning to get their atomic orchestras in sync.