Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto nuovi dettagli critici sugli impianti di fusione che utilizzano i laser per comprimere il combustibile che produce l'energia di fusione. I nuovi dati potrebbero aiutare a migliorare la progettazione di futuri impianti laser che sfruttano il processo di fusione che guida il sole e le stelle.

La fusione combina elementi luminosi sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura praticamente inesauribile di energia per generare elettricità.

Le principali strutture sperimentali includono i tokamak, i dispositivi di fusione magnetica studiati da PPPL; gli stellarators, le macchine a fusione magnetica studiate anche da PPPL e divenute recentemente più diffuse in tutto il mondo; e dispositivi laser utilizzati in quelli che vengono chiamati esperimenti di confinamento inerziale.

I ricercatori hanno esplorato l'impatto dell'aggiunta di metallo di tungsteno, che viene utilizzato per realizzare utensili da taglio e filamenti di lampade, allo strato esterno dei pellet di combustibile plasma nella ricerca sul confinamento inerziale. Hanno scoperto che il tungsteno aumenta le prestazioni delle implosioni che causano reazioni di fusione nei pellet. Il tungsteno aiuta a bloccare il calore che aumenterebbe prematuramente la temperatura al centro del pellet.

Il team di ricerca ha confermato i risultati effettuando misurazioni utilizzando il gas di krypton, a volte utilizzato nelle lampade fluorescenti. Una volta aggiunto al carburante, il gas emetteva luce ad alta energia nota come raggi X che veniva catturata da uno strumento chiamato spettrometro a raggi X ad alta risoluzione. I raggi X trasmettevano indizi su ciò che stava accadendo all'interno della capsula.

"Ero entusiasta di vedere che avremmo potuto effettuare queste misurazioni senza precedenti utilizzando la tecnica che abbiamo sviluppato negli ultimi anni. Queste informazioni ci aiutano a valutare l'implosione del pellet e aiutano i ricercatori a calibrare le loro simulazioni al computer", ha affermato il fisico PPPL Lan Gao, autore principale del documento che riporta i risultati in Lettere di revisione fisica . "Migliori simulazioni e comprensione teorica in generale possono aiutare i ricercatori a progettare migliori esperimenti futuri."

Gli scienziati hanno eseguito gli esperimenti presso la National Ignition Facility (NIF), una struttura per utenti DOE presso il Lawrence Livermore National Laboratory. La struttura punta 192 laser su un cilindro d'oro, o hohlraum, alto un centimetro e racchiude il carburante. I raggi laser riscaldano l'hohlraum, che irradia i raggi X in modo uniforme sul pellet di carburante all'interno.

"È come un bagno a raggi X", ha detto il fisico della PPPL Brian Kraus, che ha contribuito alla ricerca. "Ecco perché è bene usare un hohlraum. Potresti illuminare i laser direttamente sul pellet di carburante, ma è difficile ottenere una copertura uniforme."

I ricercatori vogliono capire come viene compresso il pellet in modo da poter progettare strutture future per rendere il riscaldamento più efficiente. Ma ottenere informazioni sull'interno del pellet è difficile. "Dato che il materiale è molto denso, quasi nulla può fuoriuscire", ha detto Kraus. "Vogliamo misurare l'interno, ma è difficile trovare qualcosa che possa passare attraverso il guscio del pellet di carburante."

"I risultati presentati nell'articolo di Lan sono di grande importanza per la fusione inerziale e hanno fornito un nuovo metodo per caratterizzare i plasmi in fiamme", ha affermato Phil Efthimion, capo del dipartimento di scienza e tecnologia del plasma presso PPPL e leader della collaborazione con NIF.

I ricercatori hanno utilizzato uno spettrometro a raggi X ad alta risoluzione progettato da PPPL per raccogliere e misurare i raggi X irradiati con più dettagli di quelli misurati in precedenza. Analizzando il modo in cui i raggi X cambiano ogni 25 trilionesimo di secondo, il team è stato in grado di tenere traccia di come il plasma è cambiato nel tempo.

"Sulla base di queste informazioni, potremmo stimare le dimensioni e la densità del nucleo del pellet in modo più preciso rispetto a prima, aiutandoci a determinare l'efficienza del processo di fusione", ha affermato Gao. "Abbiamo fornito prove dirette che l'aggiunta di tungsteno aumenta sia la densità che la temperatura e quindi la pressione nel pellet compresso. Di conseguenza, la resa di fusione aumenta".

"Non vediamo l'ora di collaborare con team teorici, computazionali e sperimentali per portare ulteriormente questa ricerca", ha affermato. + Esplora ulteriormente

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