La fisica nucleare di solito coinvolge alte energie, come illustrato da esperimenti per padroneggiare la fusione nucleare controllata. Uno dei problemi è come superare la forte repulsione elettrica tra i nuclei atomici che richiede alte energie per farli fondere. Ma la fusione potrebbe essere avviata a energie inferiori con campi elettromagnetici generati, Per esempio, da laser a elettroni liberi all'avanguardia che emettono luce a raggi X. I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) descrivono come questo potrebbe essere fatto nella rivista Revisione fisica C .

Durante la fusione nucleare due nuclei atomici si fondono in un nuovo nucleo. In laboratorio questo può essere fatto da acceleratori di particelle, quando i ricercatori usano le reazioni di fusione per creare neutroni liberi veloci per altri esperimenti. Su scala molto più ampia, l'idea è quella di attuare la fusione controllata di nuclei leggeri per generare energia, con il sole che fa da modello:la sua energia è il prodotto di una serie di reazioni di fusione che avvengono al suo interno.

Per molti anni, gli scienziati hanno lavorato su strategie per generare energia dall'energia da fusione. "Da un lato si tratta di una fonte di energia praticamente illimitata. Dall'altro, ci sono tutti i tanti ostacoli tecnologici che vogliamo aiutare a superare attraverso il nostro lavoro, " dice il professor Ralf Schützhold, Direttore del Dipartimento di Fisica Teorica dell'HZDR, descrivendo la motivazione della sua ricerca.

Tunneling ad alto livello, essere presto accessibile

Per innescare la fusione nucleare, devi prima superare la forte repulsione elettrica tra i nuclei atomici di carica identica. Questo di solito richiede energie elevate. Ma c'è un modo diverso, spiega il coautore dello studio, Dr. Friedemann Queißer:"Se non c'è abbastanza energia disponibile, la fusione può essere ottenuta mediante tunneling. Questo è un processo di meccanica quantistica. Significa che puoi passare (cioè, tunnel) attraverso la barriera energetica causata dalla repulsione nucleare a energie più basse."

Questo non è un costrutto teorico; succede davvero:le condizioni di temperatura e pressione nel nucleo del sole non sono sufficienti per superare direttamente la barriera energetica e consentire ai nuclei di idrogeno di fondersi. Ma la fusione avviene comunque perché le condizioni prevalenti consentono di sostenere la reazione di fusione grazie a un numero sufficientemente elevato di processi di tunneling.

Nel loro lavoro attuale, gli scienziati dell'HZDR stanno studiando se la fusione controllata potrebbe essere facilitata con l'assistenza di processi di tunneling che utilizzano le radiazioni. Ma è anche una questione di energia:più è bassa, minore è la probabilità di tunneling. Fino ad ora, l'intensità della radiazione laser convenzionale era troppo bassa per attivare i processi.

XFEL e fasci di elettroni per assistere le reazioni di fusione

Tutto questo potrebbe cambiare nel prossimo futuro:con i laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) è già possibile raggiungere densità di potenza di 10^20 watt per centimetro quadrato. Questo è l'equivalente di circa mille volte l'energia del sole che colpisce la terra, concentrato sulla superficie di una moneta da un centesimo. "Stiamo ora avanzando in aree che suggeriscono la possibilità di assistere questi processi di tunneling con potenti laser a raggi X, " dice Schützhold.

L'idea è che il campo elettrico forte che causa la repulsione dei nuclei si sovrapponga a un campo elettrico più debole, ma in rapida evoluzione, campo elettromagnetico che può essere prodotto con l'ausilio di un XFEL. I ricercatori di Dresda hanno studiato teoricamente il processo per la fusione degli isotopi dell'idrogeno deuterio e trizio. Questa reazione è attualmente considerata uno dei candidati più promettenti per le future centrali elettriche a fusione. I risultati mostrano che dovrebbe essere possibile aumentare il tasso di tunneling in questo modo; un numero sufficientemente elevato di processi di tunneling potrebbe alla fine facilitare un successo, reazione di fusione controllata.

Oggi, solo una manciata di sistemi laser in tutto il mondo con il potenziale necessario sono i fiori all'occhiello delle strutture di ricerca su larga scala, come quelli in Giappone e negli Stati Uniti, e in Germania, dove il laser più potente del mondo nel suo genere, l'XFEL europeo, si trova nella zona di Amburgo. Presso la Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) situata lì, sono previsti esperimenti con lampi di raggi X unici ultracorti ed estremamente luminosi. HZDR è attualmente in procinto di costruire HIBEF.

Il prossimo passo dei fisici del campo forte di Dresda è immergersi ancora più a fondo nella teoria per comprendere meglio altre reazioni di fusione ed essere in grado di valutare il loro potenziale per assistere i processi di tunneling con le radiazioni. Processi analoghi sono già stati osservati nei sistemi di laboratorio, come i punti quantici nella fisica dello stato solido o i condensati di Bose-Einstein, ma nella fusione nucleare le prove sperimentali sono ancora in sospeso. Pensando ancora più avanti, gli autori dello studio ritengono che altre sorgenti di radiazioni potrebbero aiutare i processi di tunneling. I primi risultati teorici sui fasci di elettroni sono già stati ottenuti.