Un investimento da 42 milioni di dollari! Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti crea 3 importanti centri di ricerca sulla fusione laser

Giovedì ora locale, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha annunciato che sta creando tre centri di ricerca nella speranza di far avanzare la scienza e la tecnologia fondamentale dell’energia di fusione inerziale (IFE) e di utilizzare esplosioni termonucleari miniaturizzate guidate da laser nelle future centrali elettriche.
I tre centri, situati presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in California, la Colorado State University e l'Università di Rochester nello Stato di New York, condivideranno un totale di 42 milioni di dollari in quattro anni. Di questi, 16 milioni di dollari ciascuno per Livermore e Colorado State, e 10 milioni di dollari per l'Università di Rochester - una piccola frazione del budget per la scienza dell'energia da fusione del DOE - che quest'anno ammonta a più di mezzo miliardo di dollari.
Scott Hsu, coordinatore capo della fusione del DOE, ha affermato che la ricerca futura nei tre centri “si concentrerà maggiormente sulle tecnologie fondamentali necessarie per qualsiasi sistema di fusione inerziale.
L'energia viene prodotta combinando due piccoli atomi, solitamente idrogeno, in un atomo più grande. Questo processo, noto come "fusione", è la fonte di energia per il sole e le altre stelle. Se la fusione nucleare controllata potesse essere riprodotta sulla Terra, produrrebbe energia abbondante senza produrre anidride carbonica o scorie radioattive a vita lunga che surriscaldano la Terra.
Ad oggi, la maggior parte della ricerca sull’energia da fusione, e la maggior parte del budget scientifico della fusione del Dipartimento dell’Energia, si è concentrata su reattori che utilizzano potenti campi magnetici per contenere idrogeno surriscaldato finché i nuclei non si scontrano e si combinano. Ma un esperimento di successo condotto lo scorso anno presso il National Ignition Facility (NIF) di Livermore ha enfatizzato un approccio diverso: sparare potenti laser su singole particelle di idrogeno per comprimere insieme i loro atomi e produrre un lampo di fusione.
Finora LLNL ha ottenuto l'accensione della fusione al NIF quattro volte. L'ultimo è stato ottenuto sparando 2,2 megajoule (MJ) di energia sul bersaglio di accensione, producendo 3,4 MJ di energia da fusione. Il NIF non è stato progettato come prototipo per la generazione di energia da fusione. Dalla cessazione dei test nucleari nel 1992, è stato utilizzato principalmente per contribuire al mantenimento delle armi nucleari statunitensi. Negli esperimenti precedenti, l’esperimento scientifico NIF ha sparato un impulso laser in un pellet alimentato a idrogeno. Una centrale elettrica pratica dovrebbe sparare ripetutamente l’impulso laser ad una frequenza di 10 volte al secondo, con ogni impulso che inserisce una nuova pallina di combustibile.
Questi laser devono essere più potenti, più affidabili e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai laser del NIF. Gli obiettivi per il carburante a idrogeno devono essere economici e facili da produrre. Una centrale elettrica avrà bisogno di una fornitura costante di milioni di pellet. Il nuovo centro di ricerca aiuterà ad affrontare questi ostacoli.
Kramer Akli, che gestisce il programma governativo Inertial Fusion Energy Sciences, ha affermato che il DOE ha ricevuto molte candidature e una giuria ha scelto Livermore, Rochester e lo stato del Colorado. Ciascuno dei programmi vincitori prevedeva collaborazioni con altre università, laboratori nazionali e aziende private.
Il dottor Akli ha affermato: "Riunisci le menti più brillanti nel tuo campo in modo da poter accelerare ulteriormente l'innovazione e risolvere alcune delle sfide dell'energia di fusione inerziale".
Uno degli obiettivi principali del centro dell'Università di Rochester è testare un nuovo tipo di laser che può essere acceso direttamente sul combustibile a idrogeno. Questo metodo è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a quello utilizzato nell'esperimento NIF a Livermore. Ma se piccole variazioni nel laser producono instabilità, possono ostacolare la fusione.
Questa instabilità può essere controllata se il laser si propaga su un intervallo di lunghezze d'onda. Gli scienziati dell’Università di Rochester lavorano da anni su questo approccio, chiamato azionamento diretto, e i finanziamenti per la ricerca del centro verranno utilizzati per esperimenti per verificare se un nuovo laser ad alta potenza può superare questo problema. Questo apre un percorso verso un programma di guida diretta.
Il centro statale del Colorado studierà una varietà di laser proposti per diversi concetti di fusione inerziale ed esaminerà diversi progetti per obiettivi di carburante. Carmen Menoni, professoressa di ingegneria elettrica e informatica che ha guidato la proposta del centro, ha detto che studierà nuovi materiali per i rivestimenti ottici laser in modo che possano resistere meglio agli attacchi laser prolungati e ad alta energia.
Tammy Ma, fisico del plasma presso il Livermore National Laboratory (LLNL), ha affermato che l'attenzione del centro andrà oltre l'approccio di guida indiretta utilizzato dal NIF e inizierà ad affrontare i problemi necessari per costruire una vera centrale elettrica. "Non è solo che hai un obiettivo e lo colpisci e crei energia."
La ricerca iniziale dovrebbe aiutare a far luce sugli approcci più promettenti. "L'investimento non sarà sufficiente per trovare davvero queste risposte", secondo la dottoressa Tammy Ma, "ma penso che alla fine di quattro anni, potremo tracciare un percorso promettente affinché gli Stati Uniti dimostrino davvero una piena impianto pilota su larga scala."
Il Segretario americano per l'Energia Jennifer M. Granholm ha dichiarato: "Sfruttare l'energia da fusione è una delle più grandi sfide scientifiche e tecnologiche del 21° secolo. Ora siamo fiduciosi che l'energia da fusione non solo è una possibilità, ma è estremamente promettente. Gli scienziati di questi centri essere in prima linea in una svolta rivoluzionaria e salvatrice del pianeta."
I progetti finanziati dal programma IFE-star (Accelerated Research in Inertial Fusion Energy Science and Technology) riuniranno le competenze e le capacità dei laboratori nazionali, del mondo accademico e dell'industria del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per far avanzare i componenti del sistema IFE. La fusione a confinamento inerziale è un metodo di fusione leader che utilizza laser o altre tecnologie per comprimere e riscaldare il plasma denso. il programma IFE-star svilupperà: progetti di target ad alto guadagno; laser ad alta efficienza con alti tassi di ripetizione; e la fabbricazione, il monitoraggio e il coinvolgimento di obiettivi di fusione rilevanti per la vita. il programma IFE-star è progettato per fornire un'ampia gamma di tecnologie a supporto del sistema IFE, compreso l'uso di laser, laser e laser in un'ampia gamma di applicazioni. Una componente importante del progetto finanziato è la gestione dell’ecosistema della fusione inerziale, compreso lo sviluppo di una forza lavoro inclusiva e diversificata.
Il Laboratorio per l'Energetica dei Laser (LLE) dell'Università di Rochester, guidato dai suoi 400 membri dello staff di Rochester, è da tempo all'avanguardia nel campo dell'energia, della scienza e della tecnologia. Proprio l’anno scorso, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory, supportati da LLE, hanno raggiunto il primo traguardo di guadagno energetico netto.
Come risultato della svolta presso il National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory, la fusione a confinamento inerziale ha raccolto un interesse e un'attenzione ancora maggiori. Il progetto IFE-star mira a colmare le lacune scientifiche e tecnologiche comuni nelle roadmap tecnologiche previste dalle società di fusione IFE partecipanti. nel programma Milestone Fusion Development dell'Office of Science, affrontando le opportunità di ricerca prioritarie delineate nel rapporto IFE Workshop on Basic Research Needs. Progresso continuo. A differenza della fusione a confinamento magnetico, progettata per sostenere la combustione del plasma per lunghi periodi di tempo, l’IFE richiederà la formazione di impulsi ripetitivi. Uno degli obiettivi è sviluppare la scienza e la tecnologia necessarie per spostare la fusione inerziale da singoli esperimenti a basso guadagno a quelli ad alto guadagno e alta frequenza di ripetizione necessari per potenziali impianti pilota IFE.
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta istituendo un programma dedicato attraverso IFE-star. Il progetto selezionato creerà e sfrutterà capacità, competenze, diagnostica e strutture leader a livello mondiale, mentre IFE-star amplierà anche in modo significativo la ricerca IFE finanziata congiuntamente dalla DOE Advanced Research Projects Agency for Energy (ARPA-E) e dall'Office of Science .