Novembre 30, 2021

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Fusione nucleare: abbiamo quasi finito!

Una potenza di 10 milioni di miliardi di watt, ovvero circa un decimo della potenza istantanea che la Terra riceve dal sole… Questo risultato, ottenuto in un decimo di nanosecondo l’8 agosto 2021 dal California National Nuclear Ignition (NIF), utilizzando innumerevoli dispositivi Laser ad alta potenza, assolutamente formidabile. Ma la vera conquista sta nell’efficienza energetica dell’esperimento. Per ogni 1,9 megajoule prodotto dal raggio laser focalizzato, la fusione ha restituito 1,3 megajoule o un’efficienza di 0,7. Questo risultato è 24 volte maggiore delle migliori prestazioni ottenute finora. Il salto in avanti è grande. Ma soprattutto promette: “Abbiamo dimostrato che la soglia di accensione è davvero raggiungibile!” esclama Omar Hurricane, direttore scientifico del programma NIF. Il primo passo nell’autofusione, che consiste nel raggiungere un guadagno di 1, cioè recuperare tanta energia termonucleare quanta l’energia fornita da un laser, sembra a portata di mano. Basta immaginare presto di produrre un surplus che potrebbe essere sfruttato, e infine di controllare la fonte energetica delle stelle, i reattori a fusione per eccellenza.

© Wikipedia – Illustrazione: Marcel Laverdet

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Le condizioni della stanza diventano astronomiche. La pressione è il doppio di quella misurata al centro del Sole – Omar Hurricane, direttore scientifico del programma NIF, negli Stati Uniti

Perché al centro delle stelle, la fusione nucleare, il vero Santo Graal della produzione di energia, avviene naturalmente. Le condizioni di pressione e temperatura sono favorevoli lì. Primo, gli atomi di idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo, si fondono. Il risultato è un atomo di elio… e un’enorme quantità di energia, che si diffonderà sotto forma di calore e luce nello spazio circostante. Una volta che la riserva di idrogeno si esaurisce, l’elio si fonde a sua volta, e così via…

“Le reazioni nucleari possono continuare in questo modo finché non si forma il ferro, che è troppo stabile per fondersi a sua volta”., ricorda Alain Piccolet, Head of Engineering per il progetto Iter. Quest’ultimo, in costruzione nel sud della Francia, si basa sul primo metodo di avvio della fusione mai considerato sulla Terra: il confinamento magnetico. Nelle massicce strutture chiamate tokamak, condizioni estreme di pressione e temperatura trasformano il gas idrogeno in plasma, un mezzo in cui gli atomi possono fondersi per generare energia. Le particelle cariche che vi bagnano vengono quindi intrappolate da gigantesche bobine magnetiche situate in tutto il contenitore del tokamak. Senza queste bobine, il plasma avrebbe presto superato anche le pareti più dure.

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La seconda teoria della fusione terrestre fu sviluppata nel 1972. A quel tempo, il fisico americano John Noculls pubblicò in temperamento natura che diventerà un materiale fondante per il cosiddetto confinamento inerziale. Questo tipo di fusione si basa sull’assemblaggio di laser molto potenti per creare una reazione a catena che porta alla fusione. È questa tecnologia che utilizza il NIF, che è l’origine del suo sfruttamento. “Nuckolls ha avuto una grande idea, ma non riusciva a immaginare l’estrema complessità del lavoro. Invece di inserire 60 kJ, è stato necessario provare NIF più di 30 volte!” Erik Lefebvre, project manager nella divisione Military Applications di CEA, responsabile degli esperimenti di fisica sul laser MegaJoule (LMJ), l’equivalente francese del NIF, respira. A differenza del nuovo dispositivo di confinamento magnetico, il cui fine ultimo è la produzione di energia, queste due strutture sono destinate soprattutto a riprodurre su scala millimetrica i fenomeni fisici incontrati durante il funzionamento delle armi nucleari in laboratorio. “Con questi esperimenti, verifichiamo l’accuratezza di alcuni modelli fisici utilizzati nelle simulazioni numeriche per garantire le prestazioni delle armi nucleari”.Eric Lefebvre spiega.

Precisione simmetrica perfetta

Resta il fatto che il confinamento inerziale permette anche di avvicinarsi al punto di pareggio della fusione nucleare. Negli Stati Uniti come in Francia, questo metodo viene effettuato in una camera sferica focalizzando un gran numero di laser: a fine 2019, i primi test LMJ in funzione sono stati 48, contro i 192 dell’installazione americana. “Il NIF ha più di 10 anni, mentre l’LMJ è stato commissionato nel 2014, il che porta inevitabilmente a ritardi. Inoltre, preferiamo un aumento graduale della potenza dei laser per testare i modelli fisici passo dopo passo. Stanno diventando sempre più complessi” Si riferisce a Eric Lefebvre. Entro il 2028, l’LMJ dovrebbe avere 176 laser 24 ore su 24.

Come sta andando l’esperienza di integrazione? Nel compartimento NIF, ogni emisfero è punteggiato, a intervalli regolari, da 96 potenti laser, e l’intera flotta punta verso il centro della sfera. “Qui è dove si trova l’hohlraum, un cilindro di metallo lungo appena 1 cm e con un diametro da 6 a 7 mm”, descrive la durata di un uragano. La nicchia è forata su entrambi i lati con punti di ingresso per travi convergenti, uno superiore ed uno inferiore. E al centro c’è una capsula con un diametro di 2 mm, che contiene il carburante – una miscela di deuterio e trizio, isotopi di idrogeno. Quest’ultimo permette “La reazione di fusione più intuitiva che conosciamo… e rimane estremamente complessa!” Lancia Alain Bécoulet. Perché, per avviare la fusione degli elementi, è necessario raggiungere un riscaldamento di oltre 100 milioni di gradi, dirigendo l’energia prodotta. L’8 agosto, in California, tutto è iniziato con un impulso laser di 192 di circa dieci nanosecondi. Le travi convergevano in direzione dei due punti di ingresso dell’Hohlraum. Una volta all’interno, la sua energia viene trasmessa alla superficie interna del cilindro. “Le pareti molto calde emettono raggi X molto intensi, che vaporizzano tutto il materiale circostante”Disegna la durata di un uragano. Il calore risultante ha fatto esplodere la superficie della capsula, mentre la pressione esterna era circa 150 milioni di volte la pressione dell’atmosfera terrestre!

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Quindi la capsula si è ritirata così rapidamente che il carburante ha accelerato a quasi 380 km / s. Deuterio e trizio sono stati schiacciati in un punto, il diametro di un capello umano – appena 75 micrometri. Questa è l’implosione. “Le condizioni al centro della stanza sono diventate astronomiche. La pressione da sola è il doppio di quella misurata al centro del sole”.Dice l’uragano Omar. O 500 miliardi di atmosfere! Cosa porta alla fusione. Ma questo di solito non raggiunge il carburante e rimane confinato al centro della capsula. Problema serio per mantenere la reazione: “È un po’ come accendere un fuoco. Prima metti l’accensione, ma si spera che le fiamme alla fine raggiungano i tronchi dei grandi alberi.”Eric Lefevre spiega. E in quel giorno, le reazioni di fusione si diffusero per la prima volta in “logaritmi”: il guscio di deuterio e trizio.

“Questo è un grande passo avanti verso la fattibilità scientifica della fusione inerziale”Entusiasmo di Alain Piccolet. E buone notizie che si irradiano ai membri dell’LMJ, stretti collaboratori degli americani nel NIF. Perché il successo di questo metodo di confinamento inerziale non era scontato: aperto nel 2010, il NIF ha subito diverse battute d’arresto prima di avvicinarsi finalmente alla soglia di accensione, cinquant’anni dopo l’articolo di John Noculls. “La precisione costante dell’intero dispositivo deve essere assolutamente perfetta. Tuttavia, i fisici americani hanno dovuto volare per molti anni per raggiungere questo obiettivo”., dice Eric Lefevre.

Fusione nucleare: abbiamo quasi finito!

© LLNL

Nell’hohlraum, quantità molto piccole di deuterio e trizio sono sufficienti per alimentare una reazione di fusione.

Protocollo per avviare la fusione nucleare

1192 raggio laser super potente Penetrazione dei due punti di ingresso del contenitore (il contenitore metallico).

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2La luce laser viene convertita in raggi X che riscalda la capsula.

La temperatura raggiunge i 100 milioni di gradi e la pressione è 150 milioni di volte la pressione atmosferica.

3Sotto il calore e la pressione, la capsula esplode E il carburante che contiene (isotopi di idrogeno) è compresso.

4 Viene innescata la fusione nucleare.

Durante l’esperimento dello scorso agosto ha prodotto il 10% dell’energia istantanea che la Terra ha ricevuto dal Sole in un decimo di nanosecondo.

Anelli di raffreddamento

Fusione nucleare: abbiamo quasi finito!

ITER: produzione all’orizzonte

Attraverso il metodo del confinamento magnetico, il Progetto Internazionale Iter mira alla fabbricazione della fusione nucleare. Il tokamak più grande del mondo – acronimo russo per “camera toroidale con bobine magnetiche” – è in costruzione nelle Bouches-du-Rhone. Perché più plasma deve espandersi, più a lungo rimane intrappolato… e risparmia energia. “Questa macchina sperimentale permetterà di dimostrare che è possibile una produzione continua di 500 MW”, introduce Alain Piccolet, Head of Engineering. Ciò significa un rendimento del 1000%!

“Tutta la nostra conoscenza del confinamento magnetico si troverà in Iter. Questi sono gli inizi di una nuova industria nucleare”., conclude Alain Biko-Lett. La prima data operativa è fissata per il 2025.

Piccole modifiche

Prima del D-Day nell’agosto 2021, i valori di pressione e temperatura raggiunti dal team americano erano la metà della loro altezza. È una combinazione di piccoli aggiustamenti al livello del laser e all’holrum che ha permesso il balzo in avanti. “Ci siamo concentrati sull’impulso del raggio laser e sulla progettazione dei suoi punti di ingresso, al fine di intensificare la potenza dei raggi X prodotti e la loro durata. Un lavoro che ha richiesto tutta la sua competenza e quella dei suoi colleghi Debbie Callahan, esperta di Holraum, Annie Kretcher, capo progettista, e Alex Zelstra, capo sperimentatore.

Ovviamente la squadra non si fermerà qui.

“Cercheremo di ripetere l’esperimento nell’autunno del 2021 e poi nell’inverno del 2022”.Annuncia l’età di un uragano. A partire dal prossimo anno verranno testate nuove modifiche per migliorare l’intensità dei raggi X per avvicinarsi alla soglia di accensione richiesta per la fusione nucleare. Che potrebbe sorgere prima del previsto.