Cina: scoperta una misteriosa spinta alla fusione legata alla cinetica degli ioni sovratermici

Uno sforzo di collaborazione tra i ricercatori dell’Università Jiao Tong di Shanghai e dell’Accademia delle Scienze cinese ha portato all’implementazione di un codice di simulazione su un modello di collisione di fusione nucleare che ha svelato la fisica degli ioni sovratermici nel plasma incandescente.  Quindi è scoperto che gli ioni sovratermici nel plasma incandescente favoriscono la fusione incrementando le temperature.

Questo ci aiuta a migliorare la nostra comprensione di come avvengono le reazioni di fusione nucleare e di come possono essere migliorate.

Nel nostro tentativo di passare all’energia pulita, la fusione nucleare è una componente fondamentale. Replicare le reazioni che alimentano il Sole qui sulla Terra potrebbe aiutarci a sbloccare un’energia illimitata senza emettere gas che riscaldano il pianeta. Per arrivarci, dobbiamo prima riuscire a ottenere da un reattore a fusione nucleare più energia di quanta ne immettiamo.

L’umanità ha fatto qualche progresso in questa direzione quando la National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti ha ottenuto un guadagno netto di 3,15 milioni di Joule (MJ) di energia nel dicembre 2022. Per compiere ulteriori progressi, gli scienziati si stanno tuttavia concentrando su un’altra pietra miliare del NIF, raggiunta nel febbraio 2021: bruciare il plasma per la prima volta.

Che cos’è la combustione del plasma?

Nell’approccio del NIF allo sfruttamento dell ‘energia di fusione, una miscela di deuterio e trizio (DT) subisce un’implosione in condizioni di reazione simili a quelle esistenti nelle stelle. Il NIF definisce questo approccio come fusione a confinamento inerziale (ICF).

In ICF, quando l’energia depositata dalle particelle alfa è superiore a quella necessaria per ottenere l’implosione, la miscela di reazione entra in uno stato di combustione che amplifica le densità di energia nel plasma, noto anche come plasma ardente.

Se da un lato questo stato può aiutarci a sbloccare l’energia di fusione, dall’altro ci offre uno scorcio delle condizioni dell’universo primordiale. I successivi esperimenti al NIF ci hanno fornito maggiori informazioni su queste condizioni, ma hanno anche portato alla luce le discrepanze nei dati dello spettro neutronico.

Ioni sovratermici

Tradizionalmente, il comportamento delle particelle negli ambienti di fusione si basa sulle distribuzioni di Maxwell. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che questo approccio trascura gli effetti cinetici critici che si verificano in scenari di non-equilibrio e non spiega la presenza di ioni sovratermici. 

A sinistra: configurazione della temperatura e della densità iniziali, che rispecchia le condizioni del processo di combustione stabile e isobarico. Al centro: le traiettorie di scattering degli ioni per angoli grandi o piccoli e i limiti delle sezioni d’urto a vari parametri di impatto. A destra: gli ioni nelle collisioni a grande angolo scambiano energie sostanziali durante una singola collisione, portando a ioni sovratermici che sfidano la distribuzione maxwelliana, mentre gli ioni nelle collisioni a piccolo angolo perdono continuamente energie durante le collisioni multiple, dando luogo a una distribuzione ionica di equilibrio o maxwelliana. Crediti immagine: Science China Press

Per affrontare questo ostacolo, un gruppo di ricerca guidato da Jie Zhang dell’Accademia cinese delle scienze ha proposto un nuovo modello incentrato sulla dinamica delle collisioni a grande angolo, un approccio rivoluzionario e multiforme.

Utilizzando un codice di simulazione ibrido-particella-in-cellula chiamato LAPINS, il team ha condotto simulazioni di alta precisione del plasma che brucia ICF per ottenere informazioni sulla reazione di fusione. Hanno scoperto che le collisioni ad ampio angolo favoriscono la reazione di accensione di 10 picosecondi, il che potrebbe contribuire a migliorare le reazioni di fusione.

La simulazione ha rilevato la presenza di ioni D sovratermici con energie inferiori alla soglia di 34 keV. Si tratta di un dato importante, poiché il deposito di energia è doppio rispetto a quello delle particelle alfa. Il team ha anche scoperto che la densità delle particelle alfa al centro del punto caldo è aumentata del 24%.

Le informazioni ottenute da questi esperimenti ci aiuteranno a mettere a punto le condizioni di reazione per le reazioni di fusione e a capire come le densità ad alta energia influenzino l’evoluzione del plasma. A lungo termine, questo ci aiuterà a comprendere meglio anche il processo di espansione del nostro universo.