I ricercatori dei Sandia National Laboratories Z Machine hanno aperto un nuovo capitolo nel loro viaggio ventennale verso una maggiore produzione di fusione introducendo trizio, l'isotopo dell'idrogeno più carico di neutroni, al carburante dei loro bersagli.

Quando Z spara, il suo enorme campo elettromagnetico schiaccia il combustibile preriscaldato, costringendolo a fondersi. Il combustibile arricchito di trizio dovrebbe rilasciare molti più neutroni rispetto ai massimi precedenti in Z, già tra i più alti al mondo.

"Questa cosa sulla creazione di energia dove prima non esisteva:non abbiamo ancora un falò, ma stiamo spruzzando l'antipasto sulla griglia, "ha detto Mike Cuneo, senior manager del gruppo di scienza e tecnologia degli acceleratori di potenza pulsata di Sandia.

L'output di Z è stato utilizzato per decenni per fornire informazioni per simulazioni al computer che testano la prontezza delle scorte nucleari americane senza far esplodere un'arma reale. Viene anche utilizzato dagli astrofisici che utilizzano le pressioni e le temperature momentaneamente sorprendenti della macchina per comprendere le condizioni nelle stelle e nei nuclei dei pianeti. E alcuni sperano che le pressioni create principalmente dall'elettricità e dal magnetismo possano un giorno raggiungere condizioni di fusione nucleare adatte alla produzione di energia; questa condizione è chiamata "alto rendimento".

L'introduzione del trizio è di grande interesse tecnico perché una miscela 50/50 di trizio e deuterio, i due isotopi dell'idrogeno, emette 80 volte più neutroni, e 500 volte più energia, rispetto al solo deuterio. Energia dal deuterio, per così dire, un carburante relativamente a basso numero di ottani, è stato il limite superiore della produzione a Z.

Ma è ancora presto. Una corsa a secco a luglio, test dell'hardware e della strumentazione di contenimento, ha preceduto il primo esperimento del trizio di Z tre settimane dopo, quando una frazione di percento è stata introdotta con cautela nel carburante dell'esperimento.

"Stiamo andando a gattonare prima di camminare e correre, — disse Cuneo. — Aumenteremo gradualmente quella frazione in esperimenti contenuti man mano che andremo.

Solo altri due Dipartimento dell'Energia supportati, siti di ricerca ad alta densità energetica, al Lawrence Livermore National Laboratory e al Laboratorio di Energetica Laser dell'Università di Rochester, era stato approvato per usare il trizio, un potenziale pericolo ambientale.

Gli esperimenti di Sandia usano l'elettromagnetismo per distruggere il bersaglio più massiccio di Z e l'intera area di supporto del bersaglio come se fossero stati colpiti da una mazza. A differenza delle strutture laser, la camera Z deve essere inserita dal personale dopo ogni esperimento per rinnovare la struttura per l'esperimento successivo. In quelle condizioni, introdurre il trizio nel bersaglio richiede estrema cura e accortezza nella progettazione, trasporto e contenimento del trizio per soddisfare rigorosi standard di sicurezza.

"Il trizio è come la sabbia in spiaggia, entra in tutto, — disse Cuneo. — Quindi per ora, non possiamo lasciarlo andare da nessuna parte." L'isotopo è una piccola molecola con molta mobilità, e il primo grande ostacolo, lui dice, è assicurarsi che il materiale radioattivo con la sua emivita di 12 anni non migri nelle pozze d'acqua e olio da milioni di galloni che isolano i componenti dell'energia pulsata di Z. "Le strutture laser non hanno queste piscine, " ha sottolineato.

Il trizio potrebbe anche legarsi alle pareti metalliche dell'area centrale di Z, presentando un potenziale rischio radioattivo in cui i tecnici entrano ogni giorno per pulire dopo ogni colpo.

Però, utilizzando lo stesso design unico che ha contenuto plutonio su più di una dozzina di precedenti colpi Z, nessun trizio è stato rilasciato.

Quasi 100 dipendenti Sandia hanno contribuito direttamente allo sforzo, finanziato attraverso il programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia. Hanno partecipato anche ricercatori di General Atomics, Laboratorio Nazionale di Los Alamos, l'Università del New Mexico e la Utah State University.

Il lavoro futuro sarà finanziato dalla National Nuclear Security Administration (NNSA).

"C'è stato un alto livello di integrazione sul contenimento della struttura e sulla protezione dalle radiazioni, farlo bene, " ha detto Brent Jones, responsabile dell'integrazione della struttura. "Il gruppo di trasferimento del gas Sandia-California, con decenni di esperienza nel trattamento del trizio, sviluppato un metodo di alloggio, consegnare e contenere il materiale. Costruirono un dispositivo in grado di caricare una piccola ma definita quantità di trizio; le persone del generatore di neutroni hanno riempito il bersaglio di trizio; e le persone confinate al plutonio hanno contribuito con la loro esperienza di tiro."

Il team ora deve valutare se il trizio può essere utilizzato in sicurezza in esperimenti non contenuti, il loro obiettivo finale. Test ristretti possono valutare la compatibilità del trizio con i materiali e le pressioni di Z, ma non misurare accuratamente i risultati della fusione.

"L'uso del trizio contenuto su Z è il primo passo di questo viaggio, ", ha detto Cuneo. "C'è molto più lavoro da fare.

"Simile a ciò che viene fatto negli impianti di laser [fusione], un'idea [per un esperimento non contenuto] è quella di eliminare il trizio subito dopo uno sparo in modo che non si attacchi alle pareti della camera Z. Dobbiamo essere in grado di ripulire in modo efficiente la sezione centrale a un livello di sicurezza prima che i tecnici entrino per ristrutturarla".

Gli esperimenti non contenuti inizieranno con livelli molto piccoli di trizio e aumenteranno gradualmente in un processo di diversi anni. "Speriamo di scoprire che saremo in grado di gestire in sicurezza l'1-3% di trizio in esperimenti non contenuti, abbastanza per far avanzare le applicazioni di fusione di confinamento inerziale, altre applicazioni scientifiche delle armi e test degli effetti dei neutroni, " Disse Cuneo.

Ci vorranno almeno tre anni prima che gli esperimenti si avvicinino alla miscela 50/50 di trizio e deuterio, a seconda del finanziamento e delle priorità di Sandia e NNSA per Z.