Nella camera obiettivo del National Ignition Facility, 192 raggi laser sono focalizzati su pellet di combustibile a fusione grandi come grani di pepe.
Lawrence Livermore National Laboratory
Nell’ottobre 2010, in un edificio delle dimensioni di tre campi da calcio degli Stati Uniti, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory hanno acceso 192 raggi laser, concentrato la loro energia in un impulso con la forza di un camion in corsa, e sparato contro una pallina di combustibile nucleare delle dimensioni di un grano di pepe. Così iniziò la campagna del National Ignition Facility (NIF) per raggiungere l’obiettivo per cui porta il suo nome: accendere una reazione di fusione che produca più energia di quanta ne immetta il laser.
Un decennio e quasi 3000 colpi dopo, il NIF sta ancora generando più fizz che bang, ostacolato dal comportamento complesso e poco compreso dei bersagli laser quando vaporizzano e implodono. Ma con nuovi progetti di bersagli e forme di impulsi laser, insieme a migliori strumenti per monitorare le esplosioni in miniatura, i ricercatori del NIF credono di essere vicini ad un’importante pietra miliare intermedia conosciuta come “plasma ardente”: una fusione sostenuta dal calore della reazione stessa piuttosto che dall’input di energia laser.
L’auto-riscaldamento è la chiave per bruciare tutto il combustibile e ottenere un guadagno energetico incontrollato. Una volta che il NIF raggiunge la soglia, le simulazioni suggeriscono che avrà un percorso più facile per l’accensione, dice Mark Herrmann, che supervisiona il programma di fusione di Livermore. “Stiamo spingendo più forte che possiamo”, dice. “Si può sentire l’accelerazione nella nostra comprensione”. Anche gli esterni sono impressionati. “Si sente che c’è un progresso costante e meno congetture”, dice Steven Rose, co-direttore del Centro per gli studi sulla fusione inerziale all’Imperial College di Londra. “Si stanno allontanando dai progetti tradizionalmente tenuti e provando nuove cose.”
NIF potrebbe non avere il lusso del tempo, tuttavia. La percentuale di scatti del NIF dedicati allo sforzo di accensione è stata tagliata da un massimo di quasi il 60% nel 2012 a meno del 30% oggi per riservare più scatti per la gestione delle scorte – esperimenti che simulano le detonazioni nucleari per aiutare a verificare l’affidabilità delle testate. Le richieste di bilancio presidenziali negli ultimi anni hanno ripetutamente cercato di tagliare la ricerca sulla fusione a confinamento inerziale al NIF e altrove, solo per far sì che il Congresso la preservasse. Il finanziatore del NIF, la National Nuclear Security Administration (NNSA), sta rivedendo i progressi della macchina per la prima volta in 5 anni. Sotto pressione per modernizzare l’arsenale nucleare, l’agenzia potrebbe decidere un ulteriore spostamento verso la gestione dello stockpile. “Il programma di accensione sarà spremuto?” chiede Mike Dunne, che ha diretto gli sforzi del Livermore per l’energia da fusione dal 2010 al 2014. “La giuria è fuori.”
La fusione è stata a lungo sostenuta come una fonte di energia senza carbonio, alimentata da isotopi di idrogeno facilmente disponibili e senza produrre rifiuti radioattivi a lunga vita. Ma rimane un sogno lontano, anche per le fornaci magnetiche a forma di ciambella che bruciano lentamente, come il progetto ITER in Francia, che mira a raggiungere un guadagno energetico dopo il 2035.
NIF e altri dispositivi a fusione inerziale sarebbero meno simili a una fornace e più simili a un motore a combustione interna, producendo energia attraverso esplosioni a fuoco rapido di pellet di combustibile di piccole dimensioni. Mentre alcuni laser a fusione puntano i loro fasci direttamente sulle palline, i colpi del NIF sono indiretti: i fasci riscaldano una lattina d’oro delle dimensioni di una gomma da cancellare chiamata hohlraum, che emette un impulso di raggi X destinato ad accendere la fusione riscaldando la capsula di carburante al suo centro a decine di milioni di gradi e comprimendola a miliardi di atmosfere.
Ma i colpi nei primi 3 anni della campagna di accensione hanno prodotto solo circa 1 kilojoule (kJ) di energia ciascuno, meno dei 21 kJ pompati nella capsula dall’impulso di raggi X e molto meno degli 1,8 megajoule (MJ) dell’impulso laser originale. Siegfried Glenzer, che ha guidato la campagna iniziale, dice che il team era “troppo ambizioso” nel raggiungere l’accensione. “Ci siamo affidati troppo alle simulazioni”, dice Glenzer, ora al SLAC National Accelerator Laboratory.
Dopo la campagna di accensione fallita, i ricercatori del NIF hanno rinforzato i loro strumenti diagnostici. Hanno aggiunto più rivelatori di neutroni per dare loro una visione 3D di dove stavano avvenendo le reazioni di fusione. Hanno anche adattato quattro dei loro raggi laser per produrre impulsi ad alta potenza e ultracorti pochi istanti dopo l’implosione, al fine di vaporizzare i fili sottili vicino al bersaglio. I fili agiscono come una lampadina a raggi X, in grado di sondare il combustibile mentre si comprime. “È come una TAC”, dice lo scienziato planetario Raymond Jeanloz dell’Università della California, Berkeley, che usa il NIF per replicare le pressioni nel nucleo di pianeti giganti come Giove. (Circa il 10% dei colpi del NIF sono dedicati alla scienza di base.)
Con la loro visione più nitida, i ricercatori hanno rintracciato le perdite di energia dalla pallina di combustibile che implode. Una è arrivata nel punto in cui un minuscolo tubo iniettava il carburante nella capsula prima dello sparo. Per tappare la perdita, il team ha reso il tubo ancora più sottile. Altre perdite sono state rintracciate nel guscio di plastica della capsula, così i ricercatori hanno rinnovato la produzione per appianare le imperfezioni di appena un milionesimo di metro. La diagnostica migliorata “aiuta davvero gli scienziati a capire quali miglioramenti sono necessari”, dice Mingsheng Wei del Laboratory for Laser Energetics dell’Università di Rochester.
Incendio per prova
Il National Ignition Facility si è avvicinato all’accensione della fusione – ottenendo più energia di quella che entra – alterando i suoi impulsi laser e gli obiettivi. È ancora più vicino alle temperature e alle pressioni necessarie per un obiettivo intermedio: un “plasma in fiamme” che si autoriscalda.
La squadra ha anche giocato con la forma degli impulsi laser da 20 nanosecondi. I primi colpi sono aumentati di potenza lentamente, per evitare di riscaldare il carburante troppo rapidamente e renderlo più difficile da comprimere. Gli impulsi successivi sono aumentati in modo più aggressivo in modo che la capsula di plastica avesse meno tempo per mescolarsi con il carburante durante la compressione, una tattica che ha aumentato i rendimenti in qualche modo.
Nella campagna attuale, iniziata nel 2017, i ricercatori stanno aumentando le temperature ingrandendo l’hohlraum e la capsula fino al 20%, aumentando l’energia dei raggi X che la capsula può assorbire. Per aumentare la pressione, stanno estendendo la durata dell’impulso e passando da capsule di plastica a capsule di diamante più dense per comprimere il combustibile in modo più efficiente.
NIF ha ripetutamente raggiunto rendimenti vicini ai 60 kJ. Ma Herrmann dice che un colpo recente, discusso alla riunione della Divisione di Fisica del Plasma dell’American Physical Society all’inizio di questo mese, lo ha superato. Sono previste ripetute riprese per misurare quanto si sono avvicinati ad un plasma in fiamme, che si prevede si verifichi intorno ai 100 kJ. “E’ piuttosto eccitante”, dice.
Anche alla massima compressione, i ricercatori del NIF credono che solo il centro del combustibile sia abbastanza caldo da fondere. Ma in una scoperta incoraggiante, vedono la prova che il punto caldo sta ricevendo una spinta di riscaldamento dai frenetici movimenti dei nuclei di elio, o particelle alfa, creati dalle reazioni di fusione. Se il NIF può pompare solo un po’ più di energia, dovrebbe innescare un’onda che correrà fuori dal punto caldo, bruciando il combustibile mentre va.
Herrmann dice che il team ha ancora qualche altro trucco da provare – ognuno dei quali potrebbe portare le temperature e le pressioni a livelli abbastanza alti da sostenere il plasma che brucia e l’accensione. Stanno testando diverse forme di hohlraum per concentrare meglio l’energia sulla capsula. Stanno sperimentando capsule a doppia parete che potrebbero intrappolare e trasferire l’energia dei raggi X in modo più efficiente. E immergendo il carburante in una schiuma all’interno della capsula, piuttosto che congelarlo come ghiaccio alle pareti della capsula, sperano di formare un migliore punto caldo centrale.
Sarà sufficiente per raggiungere l’accensione? Se questi passi non bastano, aumentare l’energia del laser sarebbe l’opzione successiva. I ricercatori del NIF hanno testato gli aggiornamenti su quattro delle linee di fascio e sono riusciti ad ottenere un aumento di energia che, se gli aggiornamenti fossero applicati a tutti i fasci, porterebbero l’intera struttura vicino a 3 MJ.
Questi aggiornamenti, naturalmente, richiederebbero tempo e denaro che il NIF potrebbe non ottenere. Gli scienziati della fusione al NIF e altrove stanno aspettando con ansia le conclusioni della revisione della NNSA. “Fino a che punto possiamo arrivare?” Si chiede Herrmann. “Sono un ottimista. Spingeremo il NIF il più lontano possibile”
.