Il bersaglio liquido apporta una nuova svolta alla fusione inerziale

Jul 29, 2023

Lo scorso dicembre, quando gli scienziati del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory hanno ottenuto un guadagno netto di energia - o accensione - in un reattore a fusione, si poteva praticamente sentire lo champagne che veniva stappato. La scoperta del NIF è stata certamente un “primo passo necessario”, ma la possibilità finale di una fusione prodotta in serie rimane ancora molto, molto lontana.

Un motivo in più, quindi, per celebrare un piccolo ma necessario primo passo verso un’altra forma di fusione inerziale. I ricercatori del Laboratorio di Energetica Laser (LLE) dell'Università di Rochester hanno dimostrato un concetto chiamato formazione dinamica del guscio (DS), che potrebbe essere utilizzato per creare bersagli più economici per l'energia di fusione inerziale.

In una reazione di fusione, due nuclei atomici più leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante, liberando una grande quantità di energia. Queste reazioni avvengono nel plasma, in condizioni di temperatura e pressione estremamente elevate (oltre 100 milioni di gradi Celsius). Hanno anche bisogno di un confinamento affidabile per sostenere la reazione abbastanza a lungo da ottenere un guadagno netto di potenza.

Gli obiettivi di carburante congelato della National Ignition Facility sono difficili da realizzare e ciascuno richiede giorni per essere prodotto. Questo è un problema, perché un impianto di fusione avrebbe bisogno di circa un milione di obiettivi al giorno.

Come nel vasto e ampiamente discusso impianto del NIF, nel sistema di prova del gruppo di Rochester, le reazioni vengono avviate comprimendo e riscaldando i bersagli utilizzando i laser. Gli obiettivi sono minuscoli pellet pieni di carburante, che di solito è costituito dagli isotopi dell'idrogeno deuterio (D) e trizio (T). La potenza di fusione viene quindi generata in una frazione di secondo prima che il bersaglio venga fatto esplodere dalle temperature e dalla densità estreme come risultato della compressione.

Nel metodo DS, invece dei convenzionali bersagli di combustibile a idrogeno congelato utilizzati nel NIF, i ricercatori utilizzano bersagli liquidi. Sono costituiti da una capsula di schiuma bagnata nella quale viene iniettata una goccia di carburante liquido DT. Il bersaglio viene poi bombardato da impulsi laser temporizzati che provocano prima un'onda d'urto e poi la fanno espandere. L'onda d'urto va a formare un guscio denso con un vuoto al centro, e infine il guscio implode, rilasciando energia di fusione.

"Non era chiaro se questa tecnica avrebbe funzionato in linea di principio", afferma il collega Igor Igumenshchev, scienziato senior presso LLE, "così abbiamo fatto un esperimento di prova di principio [per dimostrare] che questa evoluzione è possibile ed è stabile". abbastanza per procedere ad ulteriori ricerche. I ricercatori hanno utilizzato un target di schiuma surrogato di circa la stessa densità del combustibile liquido. Il prossimo passo, dicono, sarà fare l’esperimento con il carburante DT, che sarà più complicato.

I pellet DT congelati che vengono convenzionalmente utilizzati nella fusione a confinamento inerziale (ICF) sono difficili da produrre e ci vogliono giorni per produrre un singolo bersaglio. Questo è un problema perché un impianto di fusione avrebbe bisogno di circa un milione di obiettivi al giorno. I target liquidi descritti nella tecnica DS, tuttavia, non richiedono la complessa stratificazione criogenica di quelli congelati e sono quindi molto più economici e facili da produrre.

Un altro vantaggio del concetto DS è che si inizia con un obiettivo più semplice: semplicemente una gocciolina liquida, afferma Valeri Goncharov, direttore della divisione teorica presso LLE e co-responsabile del progetto. Con i laser, dice, il bersaglio viene espanso e modellato in un guscio con una superficie più liscia rispetto a quella del sistema NIF. "Ora sappiamo che non c'è nulla dal punto di vista fisico che ci impedisca di produrre obiettivi in ​​grado di fornire l'innesco giusto per le centrali elettriche", afferma. “Ciò di cui abbiamo bisogno è comprimere in modo efficiente il bersaglio”.

Lo svantaggio della tecnica di formazione DS è che richiede impulsi laser di lunga durata che sono difficili da produrre utilizzando la tecnologia laser odierna. La formazione di DS genera anche interazioni laser-plasma. Secondo Goncharov, “questo è il problema più grande in questo momento nell’ICF: eliminare le onde di plasma che disperdono indietro l’energia”. Questo è qualcosa su cui stanno lavorando alla LLE, aggiunge.