Iniezione raggiunta a NIF: cosa significa?

Il 5 Dicembre del 2022, per la prima volta nella storia degli esperimenti a fusione, i ricercatori del NIF sono riusciti a gestire l’esperimento di fusione così da raggiungere il punto di iniezione. Ma cosa significa? Come hanno fatto? E soprattutto: è questa la strada per produrre energia pulita?

Ogni giorno dal 2009 a Livermore in California, i ricercatori del NIF inondano un bersaglio grande quanto una gomma di una matita con laser di energie dell’ordine del MJ, creando le condizioni opportune perché avvenga la fusione. Contrariamente a quanto aspettato alla costruzione della facility in  13 anni di attività non era mai stato raggiunto il punto di iniezione. Questo fino al 5 Dicembre del 2022 quando per la prima volta nella storia degli esperimenti a fusione, i ricercatori sono riusciti a gestire l’esperimento così che il carburante  restasse abbastanza denso per abbastanza tempo affinché la reazione producesse più energia di quella depositata sul bersaglio. Un importante risultato scientifico che dimostra che lo schema di fusione inerziale funziona, tracciando una prima linea verso un’energia pulita.

Il perchè della ricerca

L’aumento continuo del numero di abitanti nonché il consumo insostenibile delle risorse a disposizione, rendono le mutazioni del clima nel nostro pianeta la sfida più importante  che il genere umano deve affrontare. Per ridurre le immissioni di CO2 bisogna tagliare la combustione di combustibili fossili come petrolio, carbonio e gas naturale trovando sorgenti alternative di energia.  In europea  già il 20 % dell’energia proviene da fonti rinnovabili ma anche queste hanno dei punti deboli, come la discontinuità energetica,  il consumo del suolo o lo smaltimento delle risorse green (es. smaltimento dei metalli pesanti nei pannelli solari ad esempio). I problemi elencati possono essere mitigati dalla tecnologia che va avanti, ma sondare altre strade è necessario. Quindi, così come Prometeo rubò il fuoco agli Dei per darlo al genere umano, la ricerca volge il suo sguardo verso il cielo cercando di rubare il segreto dietro la nostra principale fonte di energia: le stelle. Se solo potessimo ricreare le reazioni nucleari che avvengono nel sole e nelle altre stelle potremmo risolvere in modo pulito e sicuro i problemi energetici. Un desiderio ambizioso, a cui siamo più vicini grazie alle recenti scoperte.

Fusione: la reazione del sole e delle altre stelle

Il nucleo è un oggetto composto da protoni e neutroni, anche detti nucleoni, tenuti insieme dalla forza nucleare forte che supera la forza di repulsione tra i protoni della forza elettromagnetica. Possiamo immaginarlo come un insieme di palline rimbalzanti che tenderebbero a muoversi in modo caotico ed ad allontanarsi l’una dall’altra, ma se usiamo un po’ di colla queste restano unite in un unico oggetto. Ci aspettiamo che pesando le palline separatamente, la somma dei pesi ottenuti sarà all’ incirca uguale alla massa dell’oggetto (consideriamo la massa della colla trascurabile). Nel caso dei nuclei non è così. Un nucleo ha una massa minore della somma della massa dei suoi componenti. Infatti un nucleone isolato entrando a far parte del nucleo, trasforma una parte della propria massa in energia di legame, quella forma di energia che tiene insieme i nuclei. In FIG 1 è ben evidente che l’energia di legame non è una costante ma cambia a seconda del numero di nucleoni nel nucleo atomico, un’importante caratteristica che può essere sfruttata a nostro vantaggi per ricavare energia.

FIG 1. Energia di legame al variare del numero atomico. Il ferro (Fe) è l’elemento più stabile.

Dove l’energia di legame è più elevata, le barriere energetiche sono più alte e il nucleo è più stabile. Se per disaggregare un nucleo leggero si deve fornire energia, il processo inverso (aggregazione) libera energia, in quanto le particelle cadono in uno stato ad energia minore. Quindi dall’aggregazione nuclei leggeri (come quelli del deuterio e trizio) viene prodotta una particella d’Elio e dell’energia. Questo è il principio alla base della fissione, il processo che tiene in vita le stelle, in cui i protoni si aggregano per formare particelle d’Elio ed energia.

 La fissione in laboratorio cerca di emulare ciò che fanno le stelle ma non riesce a ricrearlo precisamente. Nonostante le alte condizioni di temperatura e pressione all’interno del sole, un protone medio deva attendere 1.3 Miliardi di anni per superare la barriera repulsiva di Coulomb e perché si fondano per creare nuclei di Elio. Non potendo aspettare così tanto tempo, si sceglie di utilizzare una reazione più veloce (perché più probabile) cioè la reazione Deuterio e Trizio. Dalla fusione di Deuterio e Trizio vengono prodotti atomi di Elio ed un neutrone i quali hanno una certa energia cinetica (quindi banalmente hanno una certa velocità) che è poi quella forma di energia a cui siamo interessati per essere convertita e usata in altri campi. 

FIG.2 rappresentazione della reazione di fusione tra deuterio (2H) e trizio (3H), da cui viene prodotto dell’ elio ed un neutrone con circa 14 MeV di energia cinetica

avvenga. L’obbiettivo è quello di mantenere il Deuterio e Trizio (sottoforma di plasma*) ad una certa temperatura ad una certa densità per un lasso di tempo sufficiente affinché avvenga la reazione. Un primo problema da risolvere è come contenere un plasma a così alte temperature. Se banalmente lo mettessi in un contenitore questo verrebbe danneggiato dal plasma stesso… Nelle stelle il confinamento del plasma viene fatto dalla gravità ma sulla terra dobbiamo studiare schemi alternativi. La strada presa da NIF è quella del confinamento Inerziale.

Il confinamento inerziale

Nella facility di NIF viene generato un debole raggio laser che viene diviso, amplificato, direzionato e focalizzato fino a costituire un insieme di 192 raggi laser di 2 MJ. I laser entrano dentro un piccolo cilindro d’oro, detto “hohlraum”, che contiene il bersaglio: una sferetta contenente Deuterio e Trizio. I raggi non colpiscono direttamente il bersaglio  ma i bordi del contenitore cilindrico che li riflettono co contro la sferetta in modo da garantire una miglior simmetria di compressione (FIG.3).   Perciò, riassumendo, viene colpita una sfera dal diametro di meno 1 mm con un energia di 2MJ per 1 ns , da un semplice calcolo (energia/tempo = 2MJ/1ns = 2 x 1015 W) troviamo che la sferetta viene colpita con una potenza uguale a quella fornita da tutto l’impianto elettrico americano. I raggi colpiscono la superficie del bersaglio detto ablatore che si espande velocemente causando una compressione del suo contenuto (per conservazione del momento). Il plasma è così portato a densità di circa 100-1.000 volte superiori alla densità del piombo solido. L’inerzia dei nuclei di Deuterio e Trizio mantengono unito il combustibile per il tempo necessario allo sviluppo di reazioni di fusione.

FIG. 3 Approccio indiretto per la compressione del combustibile di deuterio e trizio.

Segnatevi questa data… ma a matita

Quanto descritto è il processo che avviene ogni giorno da 13 anni in California ma l’energia prodotta dal combustibile non era mai stata maggiore dell’energia assorbita. Solo il 5 Dicembre del 2022 è stato visto un guadagno energetico favorevole: producendo circa 3MJ** di energia da 2MJ.

Un risultato unico nella storia che apre le porte alla possibilità concreta di ricavare energia dalle reazioni di fusione prodotte in laboratorio. Anche se attualmente è un risultato SCIENTIFICO ben lontano da avere un valore INDUSTRIALE. Ci sono ancora molte problematiche aperte. I neutroni energetici prodotti dalla reazioni vengono misurati (misuriamo l’energia dei neutroni) ma la loro energia non viene riconvertita in energia termica e poi elettrica (come si fa nelle centrali nucleari). Ciò vuol dire che a tutta la struttura manca ancora una strategia concreta per il reattore. Senza la dimostrazione di poter avere un guadagno di energia, iniziare a ragionare ad una strategia per il reattore sarebbe stato un esperimento mentale interessante ma prematuro. Inoltre l’energia prodotta dalla reazione è maggiore di quella mandata sul combustibile ma perché il reattore a fusione sia sfruttabile bisogna chiudere il ciclo di produzione energetica tenendo conto dell’energia usata per alimentare i laser accelerarli e gestirli , impianto che consuma all’incirca 300MJ, ed a questo numero dovremmo sommare l’energia necessaria per convertire i l’energia dei neutroni in energia termica (conversione che ha una certa efficienza e una certa perdita).  Siamo anche ben lontani da una produzione continua di energia: per ora la facility è in grado di generare solo un impulso laser al giorno. Perché questa tecnologia possa essere sfruttata a livello industriale è necessario produrre almeno un impulso laser al secondo

Si tenga comunque presente che ci sono prospettive di miglioramento, NIF è stato costruito nel 2009 con tecnologie laser relative ai primi anni duemila che possono essere sostituite da tecnologie più efficienti ed aggiornate per migliorare il guadagno. In Francia c’è il progetto di costruzione di una facility in grado di produrre esperimenti di fusione simili con tecnologie aggiornate. Questi due luoghi: America e Francia non sono casuali, i due stati appartengono al consiglio di sicurezza dell’ONU e l’interesse strategico derivante dal possesso di questi punti di ricerca ne motiva la posizione. Infatti, il processo di compressione del bersaglio ha diverse analogie con il processo di  compressione che avviene nelle bombe ad idrogeno. Non a caso molti finanziamenti della facility di NIF provengono dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. 

La strada per un approccio industriale è ancora molto lunga  e sicuramente questa strategia non è applicabile per raggiungere gli obiettivi di neutralità carbonica entro la metà del secolo ma è sicuramente un grande risultato scientifico aspettato da anni che apre la strada , nonché la speranza, ad un nuovo approccio per la produzione di energia.

 In conclusione, per ora è ancora meglio tenere i condizionatori spenti!

*Plasma : condizione in cui i nuclei e gli elettroni si muovono indipendentemente gli uni dagli altri come particelle in un gas. Grazie all’altissima temperatura , l’energia cinetica dei nuclei è sufficiente a vincere la forza repulsiva elettromagnetica, e si innescano i meccanismi di fusione.

**3MJ è l’energia necessaria per portare a bollore una tazza d’acqua

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