Per 75 anni è stato un sogno riprodurre una fusione simile a quella solare sulla Terra. Squadre di scienziati e ingegneri di tutto il mondo hanno speso decine di miliardi di dollari su vari metodi di fusione, ma hanno lottato a lungo per raggiungere il traguardo del “guadagno netto di energia”.
Fino a un anno fa, però, tutto era cambiato.
Il 5 dicembre 2022, presso il National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il laser più grande e con la più alta energia del mondo ha sparato 192 raggi laser e li ha puntati verso un bersaglio delle dimensioni di un granello di pepe, creando un minuscolo "sole" " sulla terra. Dopo aver sparato 2,05 megajoule di energia laser sul bersaglio, l'esperimento ha prodotto più energia di fusione di quella necessaria per accendere il combustibile di fusione generando 3,15 megajoule di energia in uscita: un importante passo avanti scientifico negli ultimi decenni.
Superare nuovamente il limite dell'energia laser
Fortunatamente, il National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) negli Stati Uniti ha recentemente stabilito un altro nuovo record per l’energia laser, emettendo per la prima volta 2,2 megajoule (MJ) su un bersaglio di accensione.
L’esperimento recentemente riportato, condotto il 30 ottobre, ha prodotto 3,4 MJ di energia di fusione, ha ottenuto l’accensione e ha prodotto la seconda più alta resa di neutroni mai vista al NIF.
Gordon Brunton, direttore del National Ignition Facility (NIF), ha dichiarato: "Questo livello record di energia laser è un risultato incredibile che ha richiesto anni di duro lavoro per essere raggiunto. E segna la nostra quarta dimostrazione di successo dell'accensione per fusione al NIF. Questo lavoro è fondamentale per la missione del Laboratorio, con nuove capacità che possono supportare il programma di gestione delle scorte dell'Amministrazione nazionale per la sicurezza nucleare e, si spera, avvicinarci al futuro dell'energia da fusione."
Il 5 dicembre 2022, LLNL ha ottenuto per la prima volta l'accensione per fusione. La seconda volta è stata il 30 luglio 2023, quando il laser NIF ha consegnato 2,05 megajoule di energia al bersaglio in un esperimento di fusione controllata, producendo un'energia di fusione in uscita di 3,88 megajoule, il guadagno di energia più alto raggiunto fino ad oggi. Il laser NIF ha raggiunto l'accensione della fusione l'8 ottobre 2023, con un'energia laser di 1,9 MJ e una produzione di energia di fusione di 2,4 MJ.
Principali progressi nella fusione nucleare
"Siamo su una ripida curva di crescita delle prestazioni", ha affermato Jean-Michel Di Nicola, direttore del progetto congiunto del NIF e della Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization, "L'aumento dell'energia laser ci dà più margine di manovra per affrontare questioni come il carburante difetti della capsula o asimmetrie dei punti caldi del carburante. Energie laser più elevate aiutano a ottenere implosioni più stabili, che a loro volta portano a rendimenti energetici più elevati.
Non c'è dubbio sulla capacità del laser di fornire così tanta energia. E la sfida è proteggere le preziose ottiche del NIF dai danni causati dai detriti, afferma Bruno Van Wonterghem, responsabile delle operazioni del NIF: "Il laser stesso è in grado di generare energie più elevate senza apportare modifiche fondamentali al laser. Facciamo tutto questo per massimizzare il controllo dei danni. Dopotutto, se c'è troppa energia senza un'adeguata protezione, le tue ottiche possono andare in frantumi."
NIF gestisce l'unico sistema laser al mondo che opera al di sopra della soglia di danno, un'impresa resa possibile in parte da quello che è noto come Optical Recycling Loop.
Laser più potenti, prestazioni migliori
Due importanti misure di mitigazione, completate nel giugno 2023, sono state fondamentali per fornire 2,2 MJ di energia laser al bersaglio: l'uso di schermature di detriti di silice fusa su due terzi delle linee di luce del NIF e l'installazione di schermature metalliche su 32 linee di luce dell'emisfero inferiore , che, a seconda della linea di luce, ha ridotto il tasso di danno indotto dai detriti di un fattore ridotto di un fattore 10-100. Queste ottiche della linea di luce inferiore ricevono la maggior parte dei detriti dalla camera bersaglio a causa della gravità.
Altri miglioramenti includono nuovi rivestimenti antiriflesso, trattamento con esametildiazepane a vapore (HMDS) e maggiore capacità del circuito di recupero ottico. Un nuovo agente attenuante, un bloccante del bordo grigio, risolve un problema che gli scienziati non avevano ancora identificato.
"Esiste un sottoinsieme di raggi che non funzionano bene come gli altri", afferma Di Nicola, "e abbiamo scoperto che se riduciamo radicalmente la densità di energia del laser proiettando un'ombra su un bordo della linea di luce, quelle linee di luce funzionano meglio". . Non siamo ancora del tutto sicuri di quale sia la causa principale del problema, ma indagheremo attivamente in futuro."
Risolvere il mistero è stato naturale per gli scienziati e gli ingegneri che lavorano sul sistema laser più energetico del mondo, il NIF, e il rappresentante capo dell'OMST Tayyab Suratwala ha dichiarato: "Abbiamo esaminato attentamente il danno del laser e identificato le misure di mitigazione modellate e testate. Tuttavia, ciascuna ogni volta che aumentiamo l’energia del laser, entriamo in un territorio senza precedenti e riveliamo nuovi meccanismi di danno”.
Più energia da sola non è sufficiente per sostenere l'incredibile record di scoperte scientifiche dell'Istituto Nazionale delle Scienze. Di Nicola: "Bisogna far oscillare quel martello più grande con controllo e abilità. L'impulso laser dura solo un miliardesimo di secondo, quindi è necessario sii molto preciso per farlo bene."
A tal fine, il team ha recentemente completato l’implementazione del sistema High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), che consente una modellazione degli impulsi più precisa e accurata. HiFiPS è un progetto in lavorazione da anni che consente un migliore equilibrio di potenza e un controllo simmetrico nelle implosioni.
Con un altro miglioramento, il team ha rinnovato le fibre ottiche del dispositivo per renderle più resistenti all'esposizione ripetuta ai neutroni. Queste fibre vengono utilizzate per misurare con precisione gli impulsi laser trasmessi al bersaglio. La ristrutturazione ha aumentato la potenza del segnale di un fattore pari a 10-100, consentendo ai ricercatori di continuare a "vedere" le prestazioni del laser.
Quali sono le speranze per il futuro?
Attualmente, il laser ha erogato 2,2 megajoule di energia laser. Il team è tornato alla fase di ricerca e ha eseguito lo stesso processo dopo il primo esperimento che ha prodotto l'accensione per fusione.
Stiamo esaminando l'ottica, valutando il danno e capendo quanto spesso possiamo utilizzare questa nuova funzionalità", ha affermato Suratwala. Nel frattempo, celebriamo questo importante risultato. È il risultato di anni di duro lavoro da parte di un grande gruppo team all'interno di LLNL e molti partner esterni."
