Fusione nucleare: creato un “sole in laboratorio” auto alimentato con innovazioni essenziali

Un team di scienziati guidato dal Los Alamos National Laboratory (LANL), in stretta collaborazione con il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ha segnato un nuovo, fondamentale passo avanti nel campo della fusione a confinamento inerziale.

Utilizzando la National Ignition Facility (NIF), il 22 giugno è stato condotto un esperimento che non solo ha raggiunto l’accensione, ma lo ha fatto con un design innovativo, generando un’energia di 2,4 megajoule e innescando un ciclo di retroazione autosufficiente noto come “plasma in combustione”. I Laser hanno generato la fusione che ha generato energia e si è automantenuta.

Questo risultato apre nuove frontiere per lo studio dei materiali in condizioni estreme, un obiettivo cruciale per la scienza fondamentale e per programmi strategici di sicurezza nazionale. “Questo dimostra quanto i nostri progetti siano in grado di creare condizioni di accensione per affrontare questioni fondamentali”, ha affermato Joseph Smidt, fisico di Los Alamos e co-direttore del programma.

La National Ignition Facility

Cos’è l’accensione e perché è fondamentale?

Per comprendere la portata di questo successo, è essenziale chiarire il concetto di “accensione” (ignition). In un esperimento di fusione nucleare, l’accensione è il punto di svolta in cui l’energia generata dalla reazione di fusione supera quella fornita dai laser per innescarla. Raggiungere questo traguardo significa creare un “plasma in combustione”, ovvero uno stato della materia così caldo e denso da auto-sostenere la reazione di fusione, un po’ come una fiamma che continua a bruciare dopo essere stata innescata.

Il primo raggiungimento storico dell’accensione è avvenuto a Livermore nel 2022. Da allora, l’obiettivo non è solo replicare il risultato, ma utilizzarlo come piattaforma per nuove scoperte. L’importanza dell’accensione risiede nella capacità di generare in laboratorio condizioni fisiche estreme, simili a quelle presenti nel cuore delle stelle o durante eventi cosmici, che sarebbero altrimenti impossibili da studiare. Questo permette agli scienziati di analizzare il comportamento dei materiali a temperature e pressioni inimmaginabili, raccogliendo dati preziosi.

Il nuovo Hohlraum, la capsula bersaglio dei laser della NIF (da LNLL)

Il cuore dell’esperimento: l'”hohlraum” cioè il cilindro bersaglio del laser

Il processo per ottenere la fusione nella National Ignition Facility è una coreografia di precisione su scala millimetrica. L’elemento centrale è un piccolo cilindro d’oro chiamato hohlraum, lungo e largo appena pochi millimetri. Al suo interno è sospesa una minuscola capsula sferica, grande quanto un grano di pepe, che contiene il combustibile per la fusione: deuterio e trizio (isotopi pesanti dell’idrogeno).

Durante l’esperimento, 192 potenti laser vengono puntati simultaneamente sulle pareti interne dell’hohlraum. L’energia dei laser non colpisce direttamente la capsula, ma vaporizza l’oro delle pareti, generando un bagno incredibilmente intenso e uniforme di raggi X. Questa radiazione avvolge la capsula di combustibile e la fa implodere in modo perfettamente simmetrico a una velocità di centinaia di chilometri al secondo. La compressione e il riscaldamento estremi che ne derivano innescano la fusione degli atomi di deuterio e trizio, rilasciando un’enorme quantità di energia.

La novità di THOR: un hohlraum con una “finestra” sul plasma

L’esperimento del 22 giugno si è distinto per l’utilizzo di un hohlraum, di una capsula bersaglio,  di nuova concezione, progettato dal LANL e battezzato THOR (Thinned Hohlraum Optimization for Radflow). Pur basandosi sul collaudato design del LLNL che ha già ottenuto l’accensione, THOR presenta una modifica cruciale: l’integrazione di “finestre” diagnostiche.

Queste finestre sono aperture strategicamente posizionate sulla parete dell’hohlraum, progettate per permettere a una parte dei potenti raggi X generati durante l’implosione di fuoriuscire in modo controllato. Lo scopo non è disperdere energia, ma utilizzarla. I raggi X che fuoriescono diventano una sorgente potentissima per irradiare campioni di materiali posti all’esterno, consentendo di studiare la loro interazione con temperature e flussi di radiazioni estremi. Inoltre vi è una diagnostica precisa della fusione, di come evolve all’interno dell’hohlraum.

Esisteva il timore  che le finestre potessero compromettere l’equilibrio delicato necessario per l’accensione. L’esperimento ha invece dimostrato che il design di THOR è robusto: è possibile ottenere l’accensione e, contemporaneamente, creare una fonte di raggi X per altri esperimenti.

“È una svolta rivoluzionaria che fa progredire la nostra scienza della fusione e le nostre capacità di modellazione 3D“, ha concluso Smidt. I prossimi passi includeranno l’esplorazione di finestre ancora più grandi o trasparenti e la progettazione di esperimenti specifici per sfruttare questa nuova, potente piattaforma di ricerca. Questo dovrebbe aprire la strada alla fujsione nucleare commerciale tramite iniezione laser.