Il laser della National Ignition Facility

Dopo aver fallito nel riprodurre l'energia da fusione da record dell'anno scorso, gli scienziati della National Ignition Facility degli Stati Uniti sono tornati al tavolo da disegno.Edwin Cartlidgediscute i prossimi passi

L'8 agosto dello scorso anno, i fisici del Lawrence Livermore National Laboratory negli Stati Uniti hanno utilizzato il laser più grande del mondo per effettuare un esperimento da record. Utilizzando i 192 raggi della National Ignition Facility (NIF) da 3,5 miliardi di dollari per far implodere una capsula delle dimensioni di un granello di pepe contenente deuterio e trizio, hanno causato la fusione dei due isotopi di idrogeno, generando una reazione di fusione autosufficiente per una frazione di secondo. Poiché il processo emette oltre il 70% dell’energia utilizzata per alimentare il laser, la scoperta suggerisce che i laser giganti potrebbero ancora consentire una nuova fonte di energia sicura, pulita e sostanzialmente illimitata.

Il risultato ha messo i ricercatori del laboratorio di Livermore in uno stato d’animo celebrativo, dopo aver lottato per più di un decennio per ottenere progressi significativi. Ma l’entusiasmo iniziale svanì presto quando diversi tentativi successivi di riprodurre il risultato fallirono, raccogliendo nella migliore delle ipotesi solo la metà della produzione da record. Poiché la direzione di Livermore aveva deciso di provare solo una manciata di esperimenti ripetuti, il laboratorio ha sospeso la ricerca del pareggio e ha invece cercato di capire cosa stava causando la variazione di output.

Per i critici del NIF, l’ultima correzione di rotta non è stata una sorpresa, poiché a quanto pare illustra ancora una volta l’inadeguatezza dell’impianto come banco di prova per una solida produzione di energia da fusione. Ma molti scienziati rimangono ottimisti e gli stessi ricercatori del NIF sono usciti combattendo, pubblicando recentemente il risultato della loro ripresa da record in Physical Review Letters (129 075001). Insistono sul fatto che, dopo tutto, hanno raggiunto l'"accensione", raggiungendo il punto in cui il riscaldamento derivante dalle reazioni di fusione supera il raffreddamento, creando un circuito di feedback positivo che aumenta rapidamente la temperatura del plasma.

Omar Hurricane, scienziato capo del programma di fusione di Livermore, sostiene che questa definizione di accensione basata sulla fisica – piuttosto che la semplice descrizione di “pareggio energetico” – è quella che conta davvero. Descrivendo il raggiungimento del pareggio come "il prossimo evento di pubbliche relazioni", afferma tuttavia che rimane un traguardo importante che lui e i suoi colleghi vogliono raggiungere. In effetti, i fisici esterni al laboratorio di Livermore sono fiduciosi che l’obiettivo tanto discusso verrà centrato. Steven Rose dell'Imperial College nel Regno Unito ritiene che "ci sono tutte le prospettive" per raggiungere il pareggio.

Il tentativo di sfruttare la fusione comporta il riscaldamento di un plasma di nuclei leggeri fino al punto in cui tali nuclei superano la loro reciproca repulsione e si combinano per formare un elemento più pesante. Il processo produce nuove particelle – nel caso del deuterio e del trizio, nuclei di elio (particelle alfa) e neutroni – nonché enormi quantità di energia. Se il plasma può essere mantenuto a temperature e pressioni sufficientemente elevate per un periodo sufficientemente lungo, le particelle alfa dovrebbero fornire calore sufficiente per sostenere le reazioni da sole mentre i neutroni potrebbero essere potenzialmente intercettati per alimentare una turbina a vapore.

I tokamak a fusione utilizzano campi magnetici per confinare il plasma per periodi abbastanza lunghi. Il NIF, in quanto dispositivo di "confinamento inerziale", sfrutta invece le condizioni estreme create per un momento fugace all'interno di una piccola quantità di combustibile di fusione altamente compresso prima che si riespanda. Il carburante è posto all'interno di una capsula sferica di 2 mm di diametro, che si trova al centro di un "hohlraum" cilindrico lungo circa 1 cm e implode quando i raggi laser precisamente diretti del NIF colpiscono l'interno dell'hohlraum e generano un'ondata di Raggi X.

A differenza dei tokamak, il NIF non è stato progettato principalmente per dimostrare l’energia ma piuttosto per servire come controllo sui programmi informatici utilizzati per simulare le esplosioni di armi nucleari – dato che gli Stati Uniti hanno cessato i test dal vivo nel 1992. Tuttavia, dopo l’attivazione nel 2009, divenne evidente che i programmi utilizzati per guidare le proprie operazioni avevano sottovalutato le difficoltà implicate, in particolare quando si trattava di instabilità del plasma e di creazione di implosioni opportunamente simmetriche. Poiché il NIF ha mancato il suo obiettivo iniziale di raggiungere l'accensione entro il 2012, la National Nuclear Security Administration degli Stati Uniti, che supervisiona il laboratorio, ha messo da parte quell'obiettivo per concentrarsi sul compito, che richiede tempo, di comprendere meglio le dinamiche dell'implosione.