La fusione è un fenomeno naturale che fornisce al nostro pianeta gran parte della sua energia, generata a milioni di chilometri di distanza nel centro del nostro sole.
Qui sulla Terra, gli scienziati stanno cercando di replicare le condizioni calde e dense che portano alla fusione. Al centro di una stella, le pressioni gravitazionali e le alte temperature, circa 200 milioni di gradi Fahrenheit, danno energia e comprimono gli atomi abbastanza vicini da fondere i loro nuclei e generare energia in eccesso.
"L'obiettivo finale della ricerca sulla fusione è riprodurre un processo che avviene continuamente nelle stelle", afferma Arianna Gleason, scienziata dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia. "Due atomi leggeri si uniscono e si fondono per formare un unico nucleo più pesante e più stabile. Di conseguenza, la massa in eccesso (un nucleo ha meno massa dei due che lo formavano) viene convertita in energia e portata via."
Quella massa rimanente (m) diventa energia (E) grazie alla famosa formula di Einstein E=mc 2 equazione. Far sì che la fusione avvenga sulla Terra è sorprendentemente semplice ed è stato ottenuto molte volte negli ultimi decenni utilizzando un’ampia gamma di dispositivi. La parte difficile è rendere il processo autosufficiente, in modo che un evento di fusione spinga il successivo a creare un "plasma ardente" prolungato che potrebbe infine generare energia pulita, sicura e abbondante per alimentare la rete elettrica.
"Puoi pensare a questo come all'accensione di un fiammifero", spiega Alan Fry. direttore del progetto Matter in Extreme Condition Petawatt Upgrade (MEC-U) di SLAC. "Una volta accesa, la fiamma continua a bruciare. Sulla Terra dobbiamo creare le giuste condizioni (densità e temperatura molto elevate) affinché il processo avvenga, e uno dei modi per farlo è con i laser."
Entra nell’energia di fusione inerziale, o IFE, un potenziale approccio alla costruzione di una centrale elettrica a fusione commerciale utilizzando combustibile di fusione e laser. L'IFE ha ottenuto un crescente sostegno nazionale da quando gli scienziati del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno ripetutamente dimostrato reazioni di fusione che hanno prodotto un guadagno netto di energia per la prima volta in qualsiasi parte del mondo.
"Con intensi raggi laser, abbiamo ottenuto l'accensione, il che significa che abbiamo ottenuto più energia da un bersaglio di fusione rispetto all'energia laser immessa in esso", ha spiegato Siegfried Glenzer, professore di scienza dei fotoni e direttore della divisione scientifica di alta densità di energia dello SLAC. /P>
Fusione a confinamento inerziale:come funziona
La tecnica utilizzata al NIF, nota come fusione a confinamento inerziale, è una delle due idee principali esplorate per la creazione di una fonte di energia da fusione. L'altra, nota come fusione a confinamento magnetico, utilizza i campi magnetici per contenere il combustibile per la fusione sotto forma di plasma.
Con la fusione a confinamento inerziale, il plasma viene creato utilizzando laser intensi e una piccola pallina riempita di idrogeno, tipicamente deuterio e trizio, isotopi con uno e due neutroni nel nucleo, rispettivamente. Il pellet è circondato da un materiale leggero che vaporizza verso l'esterno quando riscaldato dai laser. E quando ciò accade, si verifica una reazione netta verso l'interno, che provoca un'implosione.
"Questo è fondamentalmente un razzo sferico", spiega Fry. "Espellendo i gas di scarico verso l'esterno, spinge il razzo nella direzione opposta. In questo caso, il materiale vaporizzato all'esterno del pellet spinge gli isotopi di idrogeno verso il centro."
I laser devono essere applicati con precisione per ottenere un’onda d’urto simmetrica che si muova verso il centro della miscela di idrogeno, creando la temperatura e la densità necessarie per avviare la reazione di fusione. Gli eventi di accensione del NIF utilizzano 192 raggi laser per creare questa implosione e causare la fusione degli isotopi.
"La tecnologia laser e la nostra comprensione del processo di fusione sono progredite così rapidamente che ora siamo in grado di utilizzare il confinamento laser per creare un plasma in fiamme da ogni evento di fusione", ha affermato Gleason.
Ma c'è ancora molta strada da fare. Secondo gli esperti, i laser utilizzati per l'energia di fusione inerziale devono essere in grado di sparare più rapidamente e diventare più efficienti dal punto di vista elettrico.
I laser del NIF sono così grandi e complessi che possono sparare solo circa tre volte al giorno. Per raggiungere una fonte di energia di fusione inerziale, ha affermato Glenzer, "abbiamo bisogno di laser che possano funzionare 10 volte al secondo. Quindi, dobbiamo unire i risultati della fusione NIF con tecnologie laser e target efficienti".
Fry usa l'analogia di un pistone nel cilindro di un'auto per descrivere come le singole reazioni di fusione si sommano per generare potenza sostenuta. "Ogni volta che si inietta il carburante e lo si accende, questo si espande e spinge il pistone del motore", ha detto. "Per far muovere la tua macchina devi farlo ancora e ancora a migliaia di giri al minuto - o decine di volte al secondo, ed è esattamente ciò che dobbiamo fare con l'energia di fusione inerziale per trasformarla in un'energia vitale e continua." , fonte di energia sostenibile."
"Per raggiungere il guadagno di energia necessario per un impianto di fusione pilota, dobbiamo passare da circa due volte più energia in uscita che in entrata - l'attuale guadagno dagli esperimenti NIF - a un guadagno di energia da 10 a 20 volte l'energia laser che immettiamo, ", ha detto Glenzer. "Abbiamo simulazioni che ci mostrano che non è un obiettivo irragionevole, ma ci vorrà molto lavoro per arrivarci."
Inoltre, le attuali stime del guadagno di energia derivante dall’accensione non includono tutta l’energia o l’elettricità necessaria per realizzare quel colpo laser. Per rendere l'IFE una soluzione energetica, è necessario che l'intero sistema, o l'efficienza del wall plug, aumenti, il che comporterà progressi in entrambe le direzioni:più energia dalla reazione di fusione e meno energia nel laser, afferma Fry.
I poli scientifici e tecnologici sull'energia di fusione inerziale sponsorizzati dal DOE, recentemente annunciati, riuniscono le competenze di più istituzioni per affrontare queste sfide.
SLAC è partner di due dei tre hub e apporta le competenze e le capacità del laboratorio in esperimenti laser ad alto tasso di ripetizione, sistemi laser e tutte le tecnologie di accompagnamento.
"Uno sviluppo entusiasmante sono le nuove strutture laser pianificate presso la Colorado State University e SLAC", afferma Glenzer, vicedirettore dell'hub RISE guidato dalla CSU. L'impianto laser ad alta potenza presso la CSU e il progetto MEC-U presso la sorgente di luce coerente Linac di SLAC saranno basati sulla più recente architettura laser e forniranno impulsi laser a 10 colpi al secondo.
"LCLS ha utilizzato i laser negli ultimi dieci anni a più di 100 colpi al secondo, e ciò significa che abbiamo una competenza tecnologica molto forte nell'esecuzione di esperimenti ad alto tasso di ripetizione", ha affermato Glenzer. "Abbiamo sviluppato nuovi target, strumenti diagnostici e rilevatori che possono trarre vantaggio dagli elevati tassi di ripetizione e che sono abbastanza unici per questo campo e si adattano bene a ciò che vogliamo ottenere con l'IFE."
Ma c'è ancora molto da imparare su come colpire con precisione un bersaglio al centro di una camera 10 volte al secondo in modo che i detriti del bersaglio e la potenza di fusione non influenzino o danneggino i laser o l'inserimento del bersaglio.
In qualità di partner dell'hub STARFIRE guidato da LLNL, SLAC contribuirà alla creazione di requisiti tecnici dettagliati per i sistemi laser per IFE che sono strettamente correlati a quelli da costruire per il progetto MEC-U in corso presso SLAC, afferma Fry.
"I laser avanzati del MEC-U utilizzeranno un modo più efficiente per convogliare l'energia nel laser e uno schema di raffreddamento avanzato per funzionare a un tasso di ripetizione più elevato. Le tecnologie che stiamo sviluppando e le domande scientifiche a cui possiamo rispondere sono convincente per l'IFE."
Inoltre, i raggi X ultraluminosi di LCLS possono aiutare gli scienziati a capire cosa succede nel combustibile a idrogeno mentre attraversa la fusione, o cosa succede nel materiale che viene espulso dal pellet per causare l'implosione.
In effetti, i materiali svolgono un ruolo chiave nello sviluppo dell’IFE, afferma Gleason. "Utilizzare i laser per far implodere un bersaglio in modo uniforme e sferico è così difficile perché i materiali sono sempre difettosi:c'è una dislocazione, un difetto, una disomogeneità chimica, una rugosità superficiale, una porosità alla mesoscala. In breve, ci sono sempre variazioni e difetti nella materiali."
Una delle cose di cui è entusiasta è comprendere meglio i materiali coinvolti nell'IFE a livello atomico per testare e perfezionare modelli fisici per progetti IFE specifici, ha affermato.
"In SLAC disponiamo di strumenti fenomenali per scrutare in profondità i materiali. Comprendendo la fisica delle imperfezioni, possiamo trasformare i loro "difetti" in caratteristiche che possono essere prese in considerazione nella loro progettazione:possiamo avere molte manopole da girare per regolare la compressione nel processo di fusione."
Un'altra grande sfida che tutti e tre i ricercatori desiderano affrontare è la creazione della forza lavoro necessaria per svolgere la ricerca e gestire gli impianti per l'energia da fusione del futuro.
Gli hub includono finanziamenti per il coinvolgimento degli studenti, ha affermato Glenzer. "Formeremo la prossima generazione di scienziati e tecnici affinché traggano vantaggio da queste nuove capacità."
Fry e Gleason sono inoltre fortemente interessati ad attrarre persone sul campo in modo che l'energia da fusione, mentre si sta sviluppando, sia un'impresa inclusiva.
"Avremo bisogno di ingegneri, tecnici, operatori, professionisti delle risorse umane e degli appalti, ecc.", ha affermato Gleason. "Penso che molti giovani possano schierarsi a favore della fusione e sentirsi rafforzati facendo qualcosa che riduca la crisi climatica:vogliono vedere un cambiamento nella loro vita."
Glenzer è convinto che lo faranno. "La gente aveva ipotizzato che ci sarebbero voluti 30 anni per costruire un impianto di energia da fusione, ma la recente scoperta dell'accensione ha avvicinato questa prospettiva alla realtà. Abbiamo già aumentato il guadagno derivante dalla fusione di 1.000 negli ultimi 10 anni di lavoro al NIF," ha detto.
"Il potenziale di una fonte di energia pulita, equa e abbondante, insieme a tutta la scienza e la tecnologia che si affianca allo sviluppo dell'energia da fusione, è davvero entusiasmante."
LCLS è una struttura utente del DOE Office of Science. I poli dell'energia da fusione sono stati formati dal programma IFE-STAR (Inertial Fusion Energy Science &Technology Accelerator Research) del DOE.
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
