Un metodo relativamente nuovo per controllare la fusione nucleare che combina un'enorme scossa di elettricità con forti campi magnetici e un potente raggio laser ha raggiunto la propria produzione record di neutroni - uno standard chiave in base al quale vengono giudicati gli sforzi di fusione - a Z pulsato dei Sandia National Laboratories impianto di alimentazione, il più potente produttore di raggi X sulla Terra.

Il raggiungimento, da un progetto chiamato MagLIF, per la fusione inerziale della guaina magnetizzata, è stato riportato in un articolo pubblicato il 9 ottobre sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"La produzione di neutroni negli ultimi due anni è aumentata di più di un ordine di grandezza, " ha dichiarato il fisico di Sandia e investigatore capo Matt Gomez. "Non siamo solo lieti che i miglioramenti che abbiamo implementato abbiano portato a questo aumento della produzione, ma che l'aumento è stato accuratamente previsto dalla teoria."

La produzione di neutroni MagLIF è aumentata da 10 a 13 utilizzando carburante al deuterio (da 10 a 15 rappresenterebbe l'aumento di uscita di cento volte generalmente accettato dagli scienziati, se una miscela uguale di deuterio e trizio, DT, era stata usata) e la temperatura media degli ioni raddoppiava. Ciò è stato ottenuto attraverso un aumento simultaneo del 50 percento del campo magnetico applicato, una triplicazione dell'energia laser e un aumento della potenza assorbita da Z da 16 a 20 mega-ampere, ha detto Gomez.

"La produzione era di soli 2 kilojoule DT, una quantità relativamente piccola di energia, " disse. Un kilojoule è definito come l'energia termica dissipata da una corrente di 1, 000 ampere che passano attraverso un resistore da 1 ohm per un secondo. "Ma sulla base degli esperimenti che abbiamo fatto finora, che mostrano un fattore di miglioramento di 30 in cinque anni e simulazioni coerenti con quegli esperimenti, pensiamo che una resa da 30 a 50 kilojoule sia possibile, portandoci vicino allo stato noto come punto di pareggio scientifico".

L'aumento della produzione, previsto dai cambiamenti nell'input, indica che una proposta per costruire una macchina ancora più grande di Z e meglio attrezzata per superare il pareggio, ora ha una base più solida da cui fare quella richiesta, disse Gomez.

"I risultati di MagLIF hanno suscitato un enorme interesse per la ricerca sulla fusione che, combinando il magnetismo, laser ed energia elettrica:abbraccia gli stati del plasma tra la tradizionale fusione a confinamento inerziale, come i laser del National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Lab, e tradizionale fusione a confinamento magnetico come il progetto internazionale ITER nel sud della Francia, " ha detto Dan Sinars, direttore del Pulsed Power Sciences Center di Sandia. "Il successo di MagLIF ha portato a nuovi programmi e diverse start-up di fusione, e ha contribuito a creare interesse per questo approccio più ampio".

Poiché le prestazioni e le condizioni del plasma variavano in modo prevedibile al variare dei parametri di input, Il responsabile degli esperimenti di fusione di Sandia, David Ampleford, ha dichiarato:"Abbiamo ulteriore fiducia che possiamo scalare MagLIF a correnti più elevate".

Il pareggio è l'obiettivo intermedio

Il pareggio si verifica quando la quantità di energia investita nel carburante è uguale alla quantità di energia emessa, un traguardo per chi lavora sul campo. Quando viene emessa più energia di quella necessaria per mantenere l'esperimento, una condizione nota come "alto rendimento", il sogno del mondo di energia pulita dall'acqua di mare, il materiale più accessibile sulla Terra, farà un passo da gigante.

L'acqua di mare contiene una variante dell'idrogeno chiamata deuterio, che contiene un neutrone in più, e trizio, che ha due neutroni in più. Questi neutroni extra sono fusibili, il che significa che rilasciano energia di fusione quando possono combinarsi. Deuterio, più facile da lavorare, è il materiale attualmente scelto in quasi tutti gli esperimenti di fusione a Z, con la presenza più energica del trizio a volte simulata.

Anche prima di raggiungere il pareggio, il lavoro è utile:i dati provenienti da reazioni di fusione sempre più potenti inseriti nei supercomputer informano il lavoro di gestione delle scorte di Sandia che garantisce la sicurezza delle armi nucleari della nazione, sicuro e affidabile.

La storia di MagLIF inizia con una teoria

La teoria alla base del metodo di fusione MagLIF di Sandia è stata originata un decennio fa a Sandia da un team guidato dal fisico teorico Steve Slutz. Il metodo combina un enorme impulso elettrico proveniente da Z con una raffica laser che preriscalda un bersaglio di deuterio delle dimensioni di una gomma da matita a volte ghiacciato, avvicinandolo ad una temperatura di partenza opportuna dalla quale salire alla fusione. Il metodo utilizza quindi un campo magnetico per mantenere le particelle cariche all'interno dell'area operativa cilindrica in modo che si fondano in numero maggiore. Quindi, ancora informato dalla teoria, è arrivata un'ondata di miglioramenti, più recentemente guidato dal team Sandia di Gomez.

Il team ha ridotto lo spessore di una finestra di plastica trasparente che tratteneva il gas di fusione a temperatura ambiente, ma oscurava anche parzialmente una porta di ingresso per il raggio laser.

Inizialmente, il team ha scelto in modo conservativo una finestra molto spessa per assicurarsi che non scoppiasse prima dell'esperimento e rovinasse il bersaglio, ha detto Gomez. Successivamente, il team ha rigorosamente testato i materiali delle finestre in una varietà di spessori per identificare la pressione alla quale ciascuno di essi avrebbe ceduto.

"Abbiamo determinato che avremmo potuto dimezzare all'incirca lo spessore e contenere ancora in modo robusto il combustibile da fusione, " ha detto Gomez.

La finestrella scomparsa

Il carburante conservato, i ricercatori si sono rivolti a simulazioni al computer che hanno mostrato quanti miglioramenti ci si poteva aspettare nell'accoppiamento energetico del raggio laser con il bersaglio, dato che lo spessore della finestra era stato ridotto.

"Il laser non passa attraverso la finestra nel modo in cui potremmo tradizionalmente pensare che farebbe, " Ha detto Gomez. "Il laser è così intenso che in realtà ionizza la finestra, trasformandolo in plasma, riscaldandolo fino a farlo diventare più o meno trasparente al laser. Il processo di riscaldamento della finestra a queste temperature estreme rappresenta una discreta frazione dell'energia laser persa. Abbiamo rimosso circa la metà della massa del materiale della finestra, quindi non abbiamo bisogno di scaldarci così tanto, così perdiamo meno energia.

"Le nostre simulazioni sono state successivamente confermate con esperimenti, " ha detto Gomez.

Sandia ha anche aumentato la potenza dei campi magnetici che impedivano alle particelle cariche di lasciare il campo di gioco, rendendo più probabile che rimanessero per interagire e fondersi.

Un altro problema superato era come aumentare la forza di due bobine magnetiche mantenendo una finestra tra loro per l'accesso diagnostico, ha detto Gomez. "In precedenza, dovevamo decidere tra un campo magnetico più ampio senza accesso diagnostico, che eravamo riluttanti anche a provare, e un campo magnetico più piccolo con accesso diagnostico, " Ha detto Gomez. "Ora abbiamo il campo più ampio e l'accesso diagnostico, che abbiamo ottenuto attraverso il rinforzo interno delle bobine."

La stabilità delle reazioni rimane un problema man mano che aumentano le potenti forze operative. L'implosione della fusione, scosso da un maggiore input, può svanire nel nulla. Ma le simulazioni mostrano che una pressione più elevata nell'area del carburante dovrebbe agire per stabilizzarsi contro l'aumento delle forze in arrivo.

"Il pareggio è ancora a due ordini di grandezza di distanza, ma le simulazioni che catturano le nostre tendenze sperimentali indicano che un aumento di un altro ordine di grandezza della resa è possibile con ulteriori aumenti dei parametri di input, " ha detto Gomez.

Menziona più carburante, esplosioni laser più potenti, campi magnetici e impulsi elettrici come fattori contribuenti controllabili che portano a rendimenti più elevati che considera inevitabili.