Blog

Sep 03, 2023

Notizie su ottica e fotonica

Edwin Cartlidge An underdog laser scheme may be best placed to deliver

Edwin Cartlidge

Uno schema laser sfavorito potrebbe essere nella posizione migliore per fornire energia da fusione competitiva.

Laser al fluoruro di argon Electra del Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti. [J. Steffen, Marina degli Stati Uniti]

Il 5 dicembre 2022, i fisici che lavoravano al National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), negli Stati Uniti, hanno registrato un’enorme esplosione di neutroni nei loro rilevatori sperimentali. Il NIF è il laser più grande del mondo e genera reazioni di fusione facendo implodere rapidamente pellet di isotopi di idrogeno utilizzando lampi di luce eccezionalmente intensi ed energetici. Il diluvio di neutroni segnalava che i ricercatori, dopo molti anni di tentativi, avevano finalmente ottenuto l’“accensione”, producendo circa 1,5 volte più energia di quella presente nell’impulso laser.

Il risultato ha portato a un rinnovato ottimismo sul fatto che la fusione potrebbe produrre il massimo in termini di soluzioni energetiche: una fonte di elettricità abbondante, verde e di base che non crea rifiuti radioattivi a lunga vita. Ma sebbene gli scienziati abbiano accolto favorevolmente il risultato, alcuni non erano convinti che il NIF avrebbe fornito la tecnologia per una centrale elettrica a fusione funzionante.

I laser del NIF illuminano solo i poli del bersaglio, consentendogli di entrare nelle aperture a ciascuna estremità di un hohlraum (sopra). [LLNL]

Il NIF si basa sulla fusione "a guida indiretta", che prevede la frantumazione di pellet di combustibile con raggi X prodotti dirigendo i 192 raggi laser della struttura verso un barattolo d'oro, o "hohlraum", che circonda il pellet. Questo approccio ha i suoi vantaggi, in particolare il fatto che i raggi X aiutano a rendere l’implosione più fluida. Ma molti scienziati sostengono che l’enorme quantità di energia persa nella generazione dei raggi X – circa tre quarti del totale – rende il progetto un fallimento per sfruttare la resa della fusione in una centrale elettrica commerciale.

Questi esperti sostengono invece la “trazione diretta” concettualmente più semplice. Ciò comporta il puntamento dei raggi laser sulla capsula del combustibile stessa, trasferendo in linea di principio molta più energia del laser al combustibile nucleare e rendendo il bersaglio più semplice. Non è necessario un hohlraum e le capsule potrebbero potenzialmente essere fabbricate utilizzando tecniche e materiali più economici.

La ricerca in questo settore è stata limitata a piccoli obiettivi che producono bassi rendimenti di fusione. Ma gli scienziati sono sempre più ottimisti sul fatto che la propulsione diretta possa funzionare, in parte a causa del crescente interesse per l’energia da fusione tra i governi e soprattutto nel settore privato. Inoltre, come sottolinea Riccardo Betti dell’Università di Rochester, negli Stati Uniti, la tecnologia laser ha fatto enormi passi avanti negli ultimi anni, in particolare la capacità di operare a larghezze di banda molto elevate. Questa tecnologia, secondo lui, “può cambiare le regole del gioco” per l’energia da fusione

Gli scienziati sono sempre più ottimisti sul fatto che la propulsione diretta possa funzionare, in parte a causa del crescente interesse per l’energia da fusione tra i governi e soprattutto nel settore privato.

Sfruttare l’energia di fusione implica confinare un plasma di nuclei leggeri – solitamente deuterio e trizio – a temperature così elevate che i nuclei superano la loro reciproca repulsione e si fondono, sprigionando energia. Se il plasma può essere mantenuto a densità sufficientemente elevate per un tempo sufficientemente lungo, i prodotti della reazione energetica (particelle alfa) depositano abbastanza calore da produrre un’ustione autosufficiente, generando accensione e moltiplicando l’emissione molte volte.

I fisici hanno seguito due diverse strategie per raggiungere questo obiettivo. Si tenta di massimizzare il tempo di confinamento, trattenendo un plasma abbastanza rarefatto all'interno di una grande camera utilizzando potenti magneti. L'altro invece crea densità eccezionalmente elevate per un attimo fugace.

È per perseguire questo secondo approccio, noto come fusione a confinamento inerziale, che vengono impiegati laser ad alta potenza ed alta energia. L'idea è di sparare impulsi laser da tutte le direzioni su un minuscolo pellet di combustibile in modo tale che lo strato esterno del pellet venga fatto esplodere e la conservazione della quantità di moto spinga il resto verso l'interno a velocità enormi (la luce da sola non fornisce abbastanza pressione di radiazione).

[Ingrandisci grafica] [Illustrazione di Phil Saunders]