Fusione nucleare in laboratorio: la svolta per il futuro!

Gli scienziati che studiano l’energia da fusione nucleare presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, hanno annunciato martedì 13 Dicembre 2022 di aver superato una pietra miliare tanto attesa nella riproduzione della potenza del sole in un laboratorio.
Gli studiosi parlano da decenni di come la fusione, la reazione nucleare che fa brillare le stelle, potrebbe fornire una fonte futura di energia pulita e illimitata.

L’annuncio

Martedì è stata annunciata la prima reazione di fusione in laboratorio che ha prodotto più energia di quella necessaria per avviare la reazione.
“Questo è un esempio così meraviglioso di una possibilità realizzata, di una pietra miliare scientifica raggiunta e di una strada da percorrere verso le possibilità di energia pulita“, ha detto Arati Prabhakar, consigliere scientifico della Casa Bianca, durante la conferenza stampa di martedì.
Se la fusione potesse essere utilizzata su larga scala, offrirebbe una fonte energetica priva d’inquinamento causato dalla combustione di combustibili fossili e di pericolose scorie radioattive a lunga vita.
La fusione nucleare si verifica quando due o più atomi vengono fusi, un processo che genera un’enorme quantità di energia sotto forma di calore. A differenza della fissione nucleare, utilizzata finora nelle centrali nucleari, che alimentano l’elettricità in tutto il mondo, non genera scorie radioattive a lunga vita.

Il progetto National Ignition Facility crea energia dalla fusione nucleare mediante quella che è nota come “fusione inerziale termonucleare”. All’interno del Sole e delle stelle, la fusione combina continuamente gli atomi di idrogeno in elio, producendo luce solare e calore che irradia i pianeti.

L’esperimento

In tutti gli sforzi degli scienziati per controllare il potere della fusione, i loro esperimenti hanno consumato più energia rispetto alle reazioni di fusione generate. Ciò è cambiato il 5 dicembre, quando 192 laser giganti presso il National Ignition Facility hanno fatto esplodere un cilindro che conteneva una protuberanza di idrogeno dentro un diamante.
I raggi laser sono entrati nella parte superiore e inferiore del cilindro, vaporizzandolo. Ciò ha generato un assalto di raggi X che hanno compresso un pellet combustibile di dimensioni BB (4,6 mm di diametro) di deuterio e trizio, isotopi di idrogeno.

In 100 trilionesimi di secondo, 2,05 megajoule di energia, l’equivalente di mezzo chilo di TNT, hanno bombardato la pallina di idrogeno. È uscita un’ondata di particelle di neutroni (il prodotto della fusione) che trasportava circa 3 megajoule di energia, un guadagno del 50% in energia. Questo ha superato la soglia dell’accensione, la linea di demarcazione in cui l’energia generata dalla fusione è uguale all’energia dei laser che avviano la reazione.

Una storia travagliata

L’esperimento di successo raggiunge finalmente l’obiettivo di accensione che era stato promesso quando è iniziata la costruzione della National Ignition Facility nel 1997. Dall’inizio delle operazioni nel 2009, tuttavia, la struttura non ha generato quasi alcuna fusione, una delusione dopo un investimento di 3,5 miliardi. Nel 2014, gli scienziati di Livermore hanno finalmente avuto successo, ma l’energia prodotta era minuscola. I progressi negli anni successivi furono piccoli. Nell’Agosto dello scorso anno, la struttura ha prodotto un migliore risultato: il 70% in più di energia rispetto all’energia della luce laser.
In un’intervista, Mark Herrmann, direttore del programma per la fisica e il design delle armi al Livermore, ha affermato che i ricercatori hanno eseguito una serie di esperimenti per comprendere meglio il sorprendente successo di Agosto. Hanno lavorato per aumentare l’energia dei laser di quasi il 10% e migliorare la progettazione dell’apparato.
Il primo colpo laser a 2,05 megajoule è stato eseguito a settembre e quel primo tentativo ha prodotto 1,2 megajoule di energia di fusione. Inoltre, l’analisi ha mostrato che il pellet sferico di idrogeno non è stato schiacciato in modo uniforme. Parte dell’idrogeno è essenzialmente schizzato fuori dal lato e non ha raggiunto le temperature di fusione.

Prospettive per il futuro

Lo scopo principale della National Ignition Facility è condurre esperimenti per aiutare gli Stati Uniti a mantenere le proprie armi nucleari. Ciò rende provvisorie le implicazioni immediate per la produzione di energia. La fusione sarebbe essenzialmente una fonte di energia priva di emissioni e aiuterebbe a ridurre la necessità di centrali elettriche a carbone e gas naturale, che immettono nell’atmosfera miliardi di tonnellate di anidride carbonica che riscaldano il pianeta ogni anno.
Gli sforzi di fusione fino ad oggi hanno utilizzato principalmente reattori a forma di ciambella noti come tokamak. All’interno dei reattori, l’idrogeno gassoso viene riscaldato a temperature sufficientemente elevate da strappare gli elettroni dai nuclei di idrogeno.
Si crea così il plasma: nuvole di nuclei caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente. I campi magnetici intrappolano il plasma all’interno della forma a ciambella e i nuclei si fondono insieme, rilasciando energia sotto forma di neutroni che volano verso l’esterno. (Qui un nostro articolo dedicato)
Il lavoro al NIF adotta un approccio diverso, ma finora è stato fatto poco per trasformare in realtà l’idea di una centrale elettrica a fusione laser. NIF è il laser più potente del mondo, ma è lento e inefficiente, basandosi su una tecnologia vecchia di decenni. L’apparato, delle dimensioni di uno stadio sportivo, è progettato per eseguire esperimenti scientifici di base, non per fungere da prototipo per la generazione di elettricità.

Ha una media di circa 10 scatti a settimana. Una struttura commerciale che utilizza l’approccio della fusione laser avrebbe bisogno di laser molto più veloci, in grado di sparare alla velocità di una mitragliatrice, forse 10 volte al secondo. Inoltre, il NIF consuma ancora molta più energia di quella prodotta dalle reazioni di fusione.
L’ultimo esperimento ha prodotto un guadagno netto di energia rispetto all’energia dei 2,05 megajoule nei raggi laser in arrivo. NIF aveva bisogno di estrarre 300 megajoule di energia dalla rete elettrica per generare il breve impulso laser.

Altri esperimenti

Altri tipi di laser sono più efficienti, ma gli esperti affermano che una centrale elettrica a fusione laser praticabile richiederebbe probabilmente guadagni di energia molto più elevati rispetto all’1,5 osservato in questo ultimo colpo di fusione.
“Avrai bisogno di guadagni da 30 a 100 per ottenere più energia per una centrale elettrica“, ha detto il dottor Herrmann.
I ricercatori altrove stanno esaminando le variazioni dell’esperimento NIF. Altri tipi di laser a diverse lunghezze d’onda potrebbero riscaldare l’idrogeno in modo più efficiente. Alcuni ricercatori preferiscono un approccio “direct drive” alla fusione laser, utilizzando la luce laser per riscaldare direttamente l’idrogeno. Ciò porterebbe più energia all’idrogeno, ma potrebbe anche creare instabilità che ostacolano le reazioni di fusione.

Conclusioni

I risultati annunciati martedì andranno a beneficio degli scienziati che lavorano alle scorte nucleari eliminando di fatto la presenza delle scorie, lo scopo principale del NIF. Eseguendo queste reazioni nucleari in un laboratorio su scala meno distruttiva, gli scienziati mirano a sostituire i le detonazioni di bombe nucleari sotterranee, che gli Stati Uniti hanno fermato nel 1992.
La maggiore produzione di fusione dalla struttura produrrà più dati “che ci consentono di mantenere la fiducia nel nostro deterrente nucleare senza la necessità di ulteriori test sotterranei“, ha affermato il dott. Herrmann.
Riccardo Betti, capo scienziato del Laboratorio di Energetica Laser dell’Università di Rochester, che non è stato coinvolto in questo particolare esperimento di Livermore, ha dichiarato: “Questo è l’obiettivo, dimostrare che si può accendere un combustibile termonucleare in laboratorio per la prima volta.“

Purtroppo ancora l’energia nucleare è un tipo di energia che ricorda, a molti, i disastri di Chernobyl e Fukushima, ma questo non ci deve fermare nel guardare al futuro. Scientificamente è, secondo il nostro modesto parere, la migliore fonte di energia che potremmo sfruttare.
Il risultato raggiunto il 13 Dicembre è la dimostrazione di come lo sfruttamento di una fonte di energia pulita e illimitata non sia poi così tanto lontana.

Gabriele Galletta

Bibliografia

Fonte: https://www.energy.gov/articles/doe-national-laboratory-makes-history-achieving-fusion-ignition