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L'anno scorso, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory nel nord della California hanno annunciato il rilascio record di 1,3 megajoule di energia per 100mila miliardi di secondi presso la National Ignition Facility (NIF), ha riferito Live Science all'epoca. In due nuovi documenti di ricerca, gli scienziati del NIF mostrano che il risultato è dovuto all'ingegneria di precisione della minuscola cavità e della capsula di carburante nel cuore del sistema laser più potente del mondo, dove ha avuto luogo la fusione.
Sebbene la capsula del carburante fosse solo di circa un millimetro di diametro, e la reazione di fusione durasse pochissimo, la sua produzione era pari a circa il 10% di tutta l'energia dalla luce solare che colpisce la Terra ogni istante, hanno riferito i ricercatori. I ricercatori hanno detto che la reazione ha fatto esplodere così tanta energia perché il processo di fusione ha riscaldato il combustibile rimanente in un plasma abbastanza caldo da consentire ulteriori reazioni di fusione.
"Un plasma autoriscaldante si ottiene quando il riscaldamento delle reazioni di fusione diventa la fonte dominante di riscaldamento nel plasma, più del necessario per avviare o far ripartire la fusione", ha detto Annie Kritcher, un fisico del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), a Live Science in una e-mail.
Kritcher è l'autore principale di uno studio pubblicato il 26 gennaio su Nature Physics che descrive come il NIF è stato ottimizzato per ottenere il plasma in fiamme, e il co-autore di un altro studio pubblicato su Nature lo stesso giorno e che descrive in dettaglio i primi esperimenti di plasma in fiamme al NIF nel 2020 e all'inizio del 2021.
La fusione nucleare è il processo che alimenta le stelle come il sole. È diverso dalla fissione nucleare, che viene utilizzata nelle centrali elettriche qui sulla Terra per generare energia dividendo nuclei atomici pesanti, come il plutonio, in nuclei atomici più piccoli. La fusione nucleare rilascia grandi quantità di energia quando i nuclei atomici sono "fusi", cioè uniti insieme, in nuclei più grandi.
I tipi più semplici di fusione sono alimentati dall'idrogeno e i ricercatori sperano che la fusione nucleare possa un giorno essere sviluppata in una fonte di energia relativamente "pulita" utilizzando l'abbondante idrogeno negli oceani della Terra.
Poiché le stelle sono molto grandi, la loro forte gravità determina che le reazioni di fusione avvengano a pressioni molto elevate. Ma qui sulla Terra tali pressioni non sono fattibili e quindi le reazioni di fusione devono avvenire a temperature molto elevate. (In un dato volume, all'aumentare della temperatura di un gas, aumenta anche la pressione, e viceversa, secondo la legge di Gay-Lussac). Diversi sperimentatori suggeriscono metodi diversi per mantenere una reazione di fusione ad alte temperature e il National Ignition Facility è specializzato in un approccio chiamato "confinamento inerziale".
Crea alte temperature colpendo un piccolo pellet di idrogeno al centro utilizzando 192 laser ad alta potenza, che a loro volta consumano enormi quantità di energia e possono essere sparati solo una volta al giorno o giù di lì. L'approccio del confinamento inerziale è stato sperimentato per testare le armi termonucleari, ed è ben lungi dall'essere una fonte di energia praticabile: una tale fonte di energia dovrebbe vaporizzare diversi pellet di combustibile ogni secondo per avere una produzione di energia abbastanza grande da generare quantità utili di elettricità.
Ma il NIF ha recentemente mostrato con successo il raggiungimento di rendimenti energetici straordinariamente elevati, anche se solo per brevissimi momenti. L'esperimento di agosto è arrivato vicino a produrre tanta energia dal pellet di combustibile quanta ne è stata messa dentro, e i ricercatori si aspettano che gli esperimenti futuri siano ancora più potenti.
I due nuovi studi descrivono esperimenti di plasma autoriscaldante precedenti, culminati nella produzione di 170 kilojoule di energia da un pellet di soli 200 microgrammi di combustibile a idrogeno, circa tre volte la produzione di energia di qualsiasi esperimento precedente. I nuovi design hanno permesso ai laser NIF che hanno riscaldato il pellet di funzionare in modo più efficiente all'interno dell'hohlraum e al guscio caldo della capsula di espandersi rapidamente verso l'esterno mentre il pellet di combustibile "implodeva", con il risultato che il combustibile si fondeva a una temperatura così elevata da riscaldare altre parti del pellet in un plasma.
Sebbene saranno necessarie molte altre ricerche scientifiche prima che la fusione a confinamento inerziale possa essere utilizzata come fonte di energia, il passo per raggiungere un plasma "in fiamme" consentirà agli scienziati di saperne di più sul processo, ha affermato Zylstra, che ha condotto gli esperimenti iniziali sul plasma bruciante ed è l'autore principale dello studio di Nature su di loro.