Laser fusion reactor approaches’ burning plasma ‘ milestone
Nella camera di destinazione del National Ignition Facility, 192 raggi laser sono focalizzati su pellet di combustibile da fusione delle dimensioni di grani di pepe.
Lawrence Livermore National Laboratory
Nell’ottobre 2010, in un edificio delle dimensioni di tre U. S. campi di calcio, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory alimentato fino 192 raggi laser, focalizzato la loro energia in un impulso con il pugno di un camion eccesso di velocità, e sparato a un pellet di combustibile nucleare delle dimensioni di un granello di pepe. Così ha iniziato una campagna da parte del National Ignition Facility (NIF) per raggiungere l’obiettivo è chiamato per: accendere una reazione di fusione che produce più energia di quella che il laser mette in.
Un decennio e quasi 3000 colpi più tardi, NIF sta ancora generando più fizz di bang, ostacolato dal complesso, comportamento poco compreso dei bersagli laser quando si vaporizzano e implodono. Ma con nuovi disegni di destinazione e forme di impulsi laser, insieme a strumenti migliori per monitorare le esplosioni in miniatura, i ricercatori del NIF ritengono di essere vicini a un importante traguardo intermedio noto come “plasma in fiamme”: un’ustione di fusione sostenuta dal calore della reazione stessa piuttosto che dall’input di energia laser.
Il riscaldamento autonomo è la chiave per bruciare tutto il carburante e ottenere un guadagno di energia in fuga. Una volta che NIF raggiunge la soglia, simulazioni suggeriscono che avrà un percorso più facile per l’accensione, dice Mark Herrmann, che supervisiona il programma fusion di Livermore. “Stiamo spingendo più forte che possiamo”, dice. “Puoi sentire l’accelerazione nella nostra comprensione.”Anche gli estranei sono impressionati. “Senti che ci sono progressi costanti e meno congetture”, afferma Steven Rose, co-direttore del Centro per gli studi sulla fusione inerziale all’Imperial College di Londra. “Si stanno allontanando dai progetti tradizionalmente tenuti e stanno provando cose nuove.”
NIF potrebbe non avere il lusso del tempo, tuttavia. La percentuale di colpi NIF dedicati allo sforzo di accensione è stata tagliata da un massimo di quasi il 60% nel 2012 a meno del 30% oggi per riservare più colpi per la gestione delle scorte—esperimenti che simulano detonazioni nucleari per aiutare a verificare l’affidabilità delle testate. Le richieste di budget presidenziali negli ultimi anni hanno ripetutamente cercato di ridurre la ricerca sulla fusione di confinamento inerziale al NIF e altrove, solo per preservarla dal Congresso. Il finanziatore del NIF, la National Nuclear Security Administration (NNSA), sta rivedendo i progressi della macchina per la prima volta in 5 anni. Sotto pressione per modernizzare l’arsenale nucleare, l’agenzia potrebbe decidere un ulteriore spostamento verso la gestione delle scorte. “Il programma di accensione sarà spremuto?”chiede Mike Dunne, che ha diretto gli sforzi di energia da fusione di Livermore da 2010 a 2014. “La giuria è fuori.”
La fusione è stata a lungo considerata una fonte di energia priva di carbonio, alimentata da isotopi di idrogeno facilmente disponibili e senza produrre rifiuti radioattivi a lunga durata. Ma rimane un sogno lontano, anche per i forni magnetici a forma di ciambella a combustione lenta come il progetto ITER in Francia, che mira a ottenere un guadagno di energia qualche tempo dopo il 2035.
NIF e altri dispositivi di fusione inerziale sarebbero meno simili a una fornace e più simili a un motore a combustione interna, producendo energia attraverso esplosioni a fuoco rapido dei minuscoli pellet di combustibile. Mentre alcuni laser a fusione puntano i loro raggi dritti verso i pellet, i colpi di NIF sono indiretti: I raggi riscaldano una lattina d’oro delle dimensioni di una gomma da matita chiamata hohlraum, che emette un impulso di raggi X destinato ad accendere la fusione riscaldando la capsula di combustibile al suo centro a decine di milioni di gradi e comprimendola a miliardi di atmosfere.
Ma i colpi nei primi 3 anni della campagna di accensione hanno prodotto solo circa 1 kilojoule (kJ) di energia ciascuno, a corto dei 21 kJ pompati nella capsula dall’impulso a raggi X e molto a corto dei 1,8 megajoule (MJ) nell’impulso laser originale. Siegfried Glenzer, che ha guidato la campagna iniziale, afferma che la squadra era “eccessivamente ambiziosa” nel raggiungere l’accensione. “Eravamo eccessivamente dipendenti dalle simulazioni”, afferma Glenzer, ora presso lo SLAC National Accelerator Laboratory.
Dopo la fallita campagna di accensione, i ricercatori del NIF hanno rinforzato i loro strumenti diagnostici. Hanno aggiunto più rivelatori di neutroni per dare loro una visione 3D di dove stavano avvenendo le reazioni di fusione. Hanno anche adattato quattro dei loro raggi laser per produrre impulsi ultracorti ad alta potenza dopo l’implosione per vaporizzare fili sottili vicino al bersaglio. I fili agiscono come una lampadina a raggi X, in grado di sondare il carburante mentre si comprime. “È come una TAC”, dice lo scienziato planetario Raymond Jeanloz dell’Università della California, Berkeley, che usa NIF per replicare le pressioni al centro di pianeti giganti come Giove. (Circa il 10% dei colpi NIF sono dedicati alla scienza di base.)
Con la loro visione più nitida, i ricercatori hanno rintracciato le perdite di energia dal pellet di combustibile implodente. Uno arrivò nel punto in cui un piccolo tubo iniettò carburante nella capsula prima dello sparo. Per tappare la perdita, il team ha reso il tubo ancora più sottile. Altre perdite sono state ricondotte al guscio di plastica della capsula, quindi i ricercatori hanno rinnovato la produzione per appianare le imperfezioni di appena un milionesimo di metro. La diagnostica migliorata “aiuta davvero gli scienziati a capire quali miglioramenti sono necessari”, afferma Mingsheng Wei del Laboratorio per l’energia laser dell’Università di Rochester.
Fire by trial
Il National Ignition Facility ha chiuso l’accensione a fusione—ottenendo più energia di quella che entra—alterando i suoi impulsi e bersagli laser. È ancora più vicino alle temperature e alle pressioni necessarie per un obiettivo intermedio: un plasma che brucia “autoriscaldante”.”
Il team ha anche giocato con la forma degli impulsi laser a 20 nanosecondi. I primi colpi dilagarono lentamente, per evitare di riscaldare troppo velocemente il carburante e renderlo più difficile da comprimere. Gli impulsi successivi dilagarono in modo più aggressivo in modo che la capsula di plastica avesse meno tempo per mescolarsi con il carburante durante la compressione, una tattica che aumentò un po ‘ i rendimenti.
Nell’attuale campagna, iniziata nel 2017, i ricercatori stanno aumentando le temperature ingrandendo l’hohlraum e la capsula fino al 20%, aumentando l’energia dei raggi X che la capsula può assorbire. Per aumentare la pressione, stanno estendendo la durata dell’impulso e passando da capsule di plastica a quelle diamantate più dense per comprimere il carburante in modo più efficiente.
NIF ha ripetutamente raggiunto rendimenti che si avvicinano a 60 kJ. Ma Herrmann dice che un recente colpo, discusso alla riunione della Divisione della fisica del plasma della American Physical Society all’inizio di questo mese, ha superato quello. I colpi di ripetizione sono pianificati per valutare quanto vicino hanno ottenuto ad un plasma bruciante, che è preveduto accadere intorno a 100 kJ. “È piuttosto eccitante”, dice.
Anche alla massima compressione, i ricercatori del NIF ritengono che solo il centro stesso del carburante sia abbastanza caldo da fondersi. Ma in una scoperta incoraggiante, vedono la prova che il punto caldo sta ottenendo una spinta di riscaldamento da nuclei di elio freneticamente in movimento, o particelle alfa, create dalle reazioni di fusione. Se NIF può pompare solo un po ‘ più di energia, dovrebbe innescare un’onda che correrà fuori dal punto caldo, bruciando carburante mentre va.
Herrmann dice che il team ha ancora alcuni trucchi da provare—ognuno dei quali potrebbe portare temperature e pressioni a livelli abbastanza alti da sostenere la combustione di plasma e accensione. Stanno testando diverse forme di hohlraum per concentrare meglio l’energia sulla capsula. Stanno sperimentando capsule a doppia parete che potrebbero intrappolare e trasferire l’energia dei raggi X in modo più efficiente. E immergendo il carburante in una schiuma all’interno della capsula, piuttosto che congelarlo come ghiaccio alle pareti della capsula, sperano di formare un punto caldo centrale migliore.
Sarà sufficiente per raggiungere l’accensione? Se questi passaggi non sono sufficienti, aumentare l’energia laser sarebbe la prossima opzione. I ricercatori NIF hanno testato gli aggiornamenti su quattro delle linee di fascio e sono riusciti a ottenere una spinta di energia che, se gli aggiornamenti sono stati applicati a tutti i fasci, porterebbe la struttura completa vicino a 3 MJ.
Tali aggiornamenti sarebbero, naturalmente, prendere tempo e denaro NIF non può finire per ottenere. Gli scienziati della fusione al NIF e altrove attendono con ansia le conclusioni della revisione NNSA. “Fino a che punto possiamo arrivare?”Herrmann chiede. “Sono un ottimista. Spingeremo NIF il piu ‘ lontano possibile.”