Nel dicembre 2022, dopo oltre un decennio di sforzi, gli scienziati del National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti hanno annunciato di aver stabilito un record mondiale producendo una reazione di fusione che rilasciava più energia di quella consumata, un fenomeno noto come accensione. Ora hanno dimostrato che l’impresa non è stata casuale, replicandola più volte. L’impianto laser, grande quanto uno stadio, ospitato presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, ha raggiunto inequivocabilmente l’obiettivo dell’accensione in quattro degli ultimi sei tentativi, creando una reazione che genera pressioni e temperature superiori a quelle che si verificano all’interno del Sole.
L’amministrazione del Presidente degli Stati Uniti, Joe Biden, sta cercando di sfruttare questo successo istituendo un trio di centri di ricerca statunitensi per contribuire al progresso della scienza. “Penso che dovremmo essere tutti orgogliosi di questo risultato”, ha detto Richard Town, un fisico che dirige il programma scientifico sulla fusione a confinamento inerziale del laboratorio LLNL.
Il NIF non è stato progettato come centrale elettrica, ma come struttura per ricreare e studiare le reazioni che si verificano durante le detonazioni termonucleari dopo che gli Stati Uniti hanno interrotto i test di armi sotterranee nel 1992. I maggiori rendimenti della fusione sono già stati utilizzati per far progredire la ricerca sulle armi nucleari e hanno alimentato l’entusiasmo per la fusione come fonte illimitata di energia pulita.
La settimana scorsa, in occasione del vertice sul clima COP28 a Dubai, il Segretario di Stato americano John Kerry ha chiesto nuovi partenariati internazionali per far progredire l’energia da fusione e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, che supervisiona il NIF, ha annunciato i nuovi centri di ricerca, che saranno guidati dall’LLNL, dall’Università di Rochester a New York e dalla Colorado State University a Fort Collins. “La costruzione del NIF è stata ‘un atto di fede’ per molti, e il suo successo ha avuto un impatto reale sulla comunità scientifica e sulla percezione pubblica”, ha affermato Saskia Mordijck, fisica dell’Università William & Mary di Willamsburg, in Virginia. “In questo senso, l’importante è che gli scienziati abbiano detto di poter fare qualcosa e poi l’abbiano fatto davvero”, ha proseguito Mordijck.
Come funziona il NIF
Il NIF funziona sparando 192 raggi laser su una pallina congelata di isotopi dell’idrogeno, il deuterio e il trizio, contenuta in una capsula di diamante sospesa in un cilindro d’oro. L’implosione che ne deriva provoca la fusione degli isotopi, creando elio e abbondanti quantità di energia. Il 5 dicembre 2022, per la prima volta, queste reazioni di fusione hanno generato più energia, circa il 54% in più, dei raggi laser inviati al bersaglio. La struttura ha stabilito un nuovo record il 30 luglio, quando i suoi fasci hanno fornito la stessa quantità di energia al bersaglio, 2,05 megajoule, ma questa volta, l’implosione ha generato 3,88 megajoule di energia di fusione, registrando un aumento dell’89% rispetto all’energia in ingresso.
Gli scienziati del laboratorio hanno ottenuto l’accensione durante altri due tentativi in ottobre. I calcoli del laboratorio indicano che altri due tentativi, a giugno e settembre, hanno generato un’energia leggermente superiore a quella fornita dai laser, ma non sufficiente a confermare l’accensione.
Per molti scienziati, i risultati confermano che il laboratorio sta operando in un nuovo regime: i ricercatori possono ripetutamente raggiungere un obiettivo che inseguono da oltre un decennio. Piccole variazioni negli impulsi laser o piccoli difetti nella capsula di diamante possono ancora permettere all’energia di fuoriuscire, rendendo l’implosione imperfetta, ma gli scienziati ora comprendono meglio le principali variabili in gioco e come manipolarle. “Anche quando abbiamo questi problemi, riusciamo comunque a ottenere più di un megajoule di energia di fusione, il che è positivo“, ha dichiarato dice Annie Kritcher, progettista principale del NIF per questa serie di esperimenti.
Sviluppare sistemi laser più efficienti
Tuttavia, la strada per fornire energia da fusione alla rete elettrica è ancora lunga e il NIF, pur ospitando il laser più grande del mondo, non è adatto a questo compito. Il sistema laser della struttura è enormemente inefficiente e più’ del 99% dell’energia che viene impiegata in un singolo tentativo di accensione viene persa prima di raggiungere il bersaglio.
Lo sviluppo di sistemi laser più efficienti è uno degli obiettivi del nuovo programma di ricerca del DOE sull’energia di fusione inerziale. Questo mese, l’agenzia ha annunciato l’erogazione di 42 milioni di dollari in quattro anni per la creazione di tre nuovi centri di ricerca, ciascuno dei quali coinvolge un mix di laboratori nazionali, ricercatori universitari e partner industriali, che lavoreranno per questo e altri progressi. Questo investimento è il primo sforzo coordinato per sviluppare non solo le tecnologie, ma anche la forza lavoro per una futura industria della fusione laser, afferma Carmen Menoni, fisica che dirige l’hub presso la Colorado State University. “La decisione di intraprendere questa strada non sarebbe stata presa senza il recente successo del NIF“, ha sottolineato Menoni. “Ora anche se ci vorrà del tempo per sviluppare la tecnologia a un livello tale da poter costruire una centrale elettrica, sappiamo che funzionerà”.
