Gli scienziati del Laboratorio di Energetica Laser (LLE) dell'Università di Rochester hanno condotto esperimenti per dimostrare un'efficace "candela" per i metodi di fusione a confinamento inerziale (ICF) a guida diretta. In due studi pubblicati su Nature Physics , gli autori discutono i loro risultati e delineano come possano essere applicati su scala più ampia con la speranza di produrre eventualmente la fusione in una struttura futura.
LLE è il più grande programma universitario del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e ospita il sistema laser OMEGA, che è il più grande laser accademico al mondo ma ha ancora quasi un centesimo dell'energia del National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California .
Con OMEGA, gli scienziati di Rochester hanno completato con successo diversi tentativi di sparare 28 kilojoule di energia laser su piccole capsule riempite di deuterio e combustibile trizio, provocando l'implosione delle capsule e producendo un plasma sufficientemente caldo da avviare reazioni di fusione tra i nuclei di combustibile. Gli esperimenti hanno causato reazioni di fusione che hanno prodotto più energia rispetto alla quantità di energia contenuta nel plasma caldo centrale.
Gli esperimenti OMEGA utilizzano l'illuminazione laser diretta della capsula e differiscono dall'approccio a guida indiretta utilizzato sul NIF. Quando si utilizza l’approccio a guida indiretta, la luce laser viene convertita in raggi X che a loro volta guidano l’implosione della capsula. Il NIF ha utilizzato la trasmissione indiretta per irradiare una capsula con raggi X utilizzando circa 2.000 kilojoule di energia laser. Ciò ha portato a una svolta nel 2022 al NIF nel raggiungimento dell'accensione per fusione, una reazione di fusione che crea un guadagno netto di energia dal bersaglio.
"Generare più energia di fusione rispetto al contenuto energetico interno del luogo in cui avviene la fusione è una soglia importante", afferma l'autore principale del primo articolo Connor Williams '23 Ph.D. (fisica e astronomia), ora scienziato presso i Sandia National Labs nel settore delle radiazioni e della progettazione di bersagli ICF. "Questo è un requisito necessario per qualsiasi cosa tu voglia realizzare in seguito, come bruciare plasmi o ottenere l'accensione."
Dimostrando di poter raggiungere questo livello di prestazioni di implosione con soli 28 kilojoule di energia laser, il team di Rochester è entusiasta della prospettiva di applicare metodi di azionamento diretto a laser con più energia. Dimostrare una candela è un passo importante, tuttavia, OMEGA è troppo piccola per comprimere abbastanza carburante per arrivare all'accensione.
"Se alla fine si riesce a creare la candela e comprimere il carburante, la trasmissione diretta ha molte caratteristiche favorevoli per l'energia di fusione rispetto alla trasmissione indiretta", afferma Varchas Gopalaswamy '21 Ph.D. (ingegneria meccanica), lo scienziato LLE che ha condotto il secondo studio che esplora le implicazioni dell’utilizzo dell’approccio a guida diretta su laser di classe megajoule, simili alle dimensioni del NIF. "Dopo aver ridimensionato i risultati OMEGA a pochi megajoule di energia laser, si prevede che le reazioni di fusione diventino autosufficienti, una condizione chiamata 'plasmi in fiamme'."
Gopalaswamy afferma che l'ICF a guida diretta è un approccio promettente per ottenere l'accensione termonucleare e l'energia netta nella fusione laser.
"Un fattore importante che contribuisce al successo di questi recenti esperimenti è lo sviluppo di un nuovo metodo di progettazione dell'implosione basato su previsioni statistiche e convalidato da algoritmi di apprendimento automatico", afferma Riccardo Betti, scienziato capo del LLE e professore Robert L. McCrory del Dipartimento. di Ingegneria Meccanica e nel Dipartimento di Fisica e Astronomia. "Questi modelli predittivi ci consentono di restringere il numero di progetti candidati promettenti prima di effettuare esperimenti preziosi."
Gli esperimenti di Rochester hanno richiesto uno sforzo altamente coordinato tra un gran numero di scienziati, ingegneri e personale tecnico per gestire il complesso impianto laser. Hanno collaborato con ricercatori del Plasma Science and Fusion Center del MIT e della General Atomics per condurre gli esperimenti.
Ulteriori informazioni: C. A. Williams et al, Dimostrazione del guadagno di carburante nei punti caldi che supera l'unità nelle implosioni di fusione con confinamento inerziale a trasmissione diretta, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02363-2
V. Gopalaswamy et al, Dimostrazione di un plasma che brucia idrodinamicamente equivalente nella fusione a confinamento inerziale a trasmissione diretta, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02361-4
Fornito dall'Università di Rochester
