Un team internazionale di scienziati ha scoperto un nuovo metodo per far progredire lo sviluppo dell'energia di fusione attraverso una maggiore comprensione delle proprietà della materia densa calda, uno stato estremo della materia simile a quello che si trova nel cuore di pianeti giganti come Giove.

I risultati, guidati da Sophia Malko del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), descrivono in dettaglio una nuova tecnica per misurare il "potere di arresto" delle particelle nucleari nel plasma utilizzando laser ultraintensi ad alta frequenza di ripetizione. La comprensione del potere di arresto dei protoni è particolarmente importante per la fusione a confinamento inerziale (ICF).

Alimentare il sole e le stelle

Questo processo contrasta con la creazione della fusione al PPPL, che riscalda il plasma a temperature di un milione di gradi nelle strutture di confinamento magnetico. Il plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, alimenta le reazioni di fusione in entrambi i tipi di ricerca, che mirano a riprodurre sulla Terra la fusione che alimenta il sole e le stelle come fonte di energia sicura e pulita. e un'energia praticamente illimitata per generare l'elettricità del mondo.

Il "potere di arresto" è una forza che agisce sulle particelle cariche a causa delle collisioni con gli elettroni nella materia che provocano una perdita di energia. "Ad esempio, se non si conosce il potere di arresto del protone non è possibile calcolare la quantità di energia depositata nel plasma e quindi progettare laser con il giusto livello di energia per creare l'accensione della fusione", ha affermato Malko, autore principale di un articolo che delinea i risultati in Nature Communications . "Le descrizioni teoriche del potere di arresto nella materia ad alta densità di energia e in particolare nella materia densa calda sono difficili e le misurazioni mancano in gran parte", ha affermato. "Il nostro articolo confronta i dati sperimentali sulla perdita di energia protonica nella materia calda e densa con i modelli teorici del potere di arresto."

Le Comunicazioni sulla natura la ricerca ha studiato il potere di arresto del protone in un regime in gran parte inesplorato utilizzando fasci di ioni a bassa energia e plasmi densi caldi prodotti dal laser. Per produrre gli ioni a bassa energia, i ricercatori hanno utilizzato uno speciale dispositivo basato su magneti che seleziona il sistema di energia fissa a bassa energia da un ampio spettro di protoni generato dall'interazione di laser e plasma. Il raggio selezionato passa quindi attraverso la materia densa calda guidata dal laser e viene misurata la sua perdita di energia. Il confronto teorico con i dati sperimentali ha mostrato che la corrispondenza più vicina era nettamente in disaccordo con i modelli classici.

Invece, l'accordo più stretto è venuto da simulazioni di primo principio sviluppate di recente basate su un approccio di meccanica quantistica a molti corpi o interagenti, ha affermato Malko.

Misurazioni di arresto precise

Misurazioni di arresto precise possono anche far avanzare la comprensione di come i protoni producono ciò che è noto come accensione rapida, uno schema avanzato di fusione a confinamento inerziale. "Nell'accensione rapida azionata da protoni, in cui i protoni devono riscaldare il carburante compresso da stati di temperatura molto bassa ad alta temperatura, il potere di arresto del protone e lo stato del materiale sono strettamente accoppiati", ha affermato Malko.

"Il potere di arresto dipende dalla densità e dalla temperatura dello stato materiale", ha spiegato, ed entrambi sono a loro volta influenzati dall'energia depositata dal raggio di protoni. "Quindi, le incertezze nella potenza di arresto portano direttamente alle incertezze nell'energia totale del protone e nell'energia laser necessaria per l'accensione", ha affermato.

Malko e il suo team stanno eseguendo nuovi esperimenti presso le strutture DOE LaserNetUS della Colorado State University per estendere le loro misurazioni alla cosiddetta regione del picco di Bragg, dove si verifica la massima perdita di energia e dove le previsioni teoriche sono più incerte.

I coautori di questo articolo includevano 27 ricercatori provenienti da Stati Uniti, Spagna, Francia, Germania, Canada e Italia. + Esplora ulteriormente

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