Accendere la fusione

È la fine di aprile e i lavoratori stanno assemblando le ultime parti della National Ignition Facility (NIF), un edificio tentacolare che copre l'area di tre campi da calcio al Lawrence Livermore National Laboratory a Livermore, in California. Vestiti con elmetti, retine per capelli, camici da laboratorio e guanti in lattice, si sono raccolti nella camera bersaglio, una sfera di 10 metri di diametro e irta di 48 condotti in alluminio brunito che insieme ospitano 192 raggi laser separati. Ogni raggio da solo è uno dei più potenti al mondo, afferma Bruno Van Wonterghem, direttore operativo di NIF. Insieme forniscono da 50 a 60 volte l'energia di qualsiasi altro laser.

Gli operai si stanno preparando per installare un'attrezzatura chiave, il sensore di allineamento del bersaglio, all'estremità di un braccio rastremato che può essere esteso fino al centro della camera. Gli scienziati utilizzeranno il sensore per posizionare un contenitore d'oro delle dimensioni di una gomma da matita al centro della sfera e allinearlo con i raggi laser. In una serie di esperimenti nei prossimi mesi, se tutto va secondo i piani, quei laser colpiranno il contenitore d'oro con un impulso lungo da 3 a 20 nanosecondi, generando un bagno di raggi X ad alta energia. Questi a loro volta faranno implodere un pellet di due millimetri contenente isotopi di idrogeno. Tutta quell'energia cinetica viene trasformata in calore, afferma Van Wonterghem. Il pellet di idrogeno raggiungerà una temperatura di 100 milioni di °C e una densità 100 volte quella del piombo, sufficiente per avviare una reazione di fusione.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2009

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La fusione, in cui i nuclei atomici si combinano per formare atomi di un nuovo elemento, è la reazione chiave che alimenta le bombe nucleari e il sole. (Negli esperimenti NIF, gli isotopi dell'idrogeno si combinano per formare nuclei di elio mentre rilasciano neutroni e raggi X.) È stato anche considerato a lungo una potenziale fonte di energia abbondante, se solo le reazioni potessero essere sfruttate in un ambiente controllato. È una sfida, perché un plasma abbastanza caldo da permettere ai nuclei di idrogeno di fondersi è così caldo che distruggerebbe qualsiasi materiale di contenimento. Gli scienziati hanno concepito due soluzioni generali. Il primo e più diffuso è confinare il plasma in un potente campo elettromagnetico. Questo è ciò che dovrebbe accadere al progetto multinazionale ITER da 14 miliardi di dollari in Francia, che dovrebbe essere operativo entro il 2018.

NIF prende una virata fondamentalmente diversa. Usando i laser per comprimere il combustibile a idrogeno, imiterà il calore e la densità estremi all'interno di una stella. La reazione di fusione risultante è controllata non confinandola elettromagneticamente ma limitando la quantità di combustibile. Il NIF produrrà una minuscola esplosione termonucleare, così piccola da poter essere studiata in una camera di 10 metri. In effetti, la missione principale del NIF è far luce sulla fisica ad alta temperatura e alta densità, comprese le reazioni nelle armi nucleari, ricreando le condizioni all'interno di stelle e bombe.

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I ricercatori discutono quale approccio sarà il più utile per generare elettricità; finora è troppo presto per essere sicuri. Ma sembra probabile che il NIF sarà la prima struttura a raggiungere una pietra miliare significativa nella ricerca della potenza di fusione basata sul laser: l'accensione di una reazione autosufficiente che produce più energia di quella immessa dal laser. Precedenti esperimenti e simulazioni al computer suggeriscono che i 192 laser del NIF sono abbastanza potenti e precisi da innescare una tale reazione a catena, che continuerà a bruciare fino all'esaurimento del combustibile a idrogeno.

Ci sono ancora enormi sfide da affrontare prima che la fusione possa essere sfruttata per generare elettricità. Ma ottenere un'ustione da fusione controllata sarà un evento incredibile, afferma Edward Moses, direttore associato principale di Livermore, responsabile del NIF. Pensiamo che stiamo arrivando a una nuova era.

Sparare laser
Accendere la fusione non sarà facile. Richiede una struttura in grado di erogare grandi quantità di energia ma controllarla in modo così preciso da poter essere puntata su obiettivi misurati in micrometri. Questo, afferma Ian Hutchinson, professore di scienza e ingegneria nucleare al MIT, sarà un risultato tecnologico incredibilmente impressionante.

Nello stesso pomeriggio in cui i tecnici hanno lavorato per installare il sensore di allineamento del bersaglio, altri hanno iniziato a radunarsi nella sala di controllo della struttura, con i suoi grandi schermi e gruppi di postazioni di lavoro. Si stanno preparando per uno scatto di prova del laser, senza il pellet di fusione; come precauzione di sicurezza, è stato programmato per la notte, dopo che gli alloggiamenti laser della struttura e la camera del bersaglio sono stati liberati dai lavoratori.

Sparare il laser richiede l'impostazione di 60.000 diversi punti di controllo. La sequenza di eventi che invia l'impulso laser al bersaglio è troppo complessa per il controllo umano, afferma Van Wonterghem, quindi dopo aver selezionato le impostazioni, una rete di 1.500 computer prenderà il controllo ed eseguirà il conto alla rovescia finale, con le mani dei ricercatori in bilico vicino ai numerosi pulsanti di arresto di emergenza disposti in tutta la stanza.

Se tutto funziona, i laser forniranno un impulso di potenza 500 volte maggiore della capacità di generazione di elettricità di picco degli Stati Uniti. L'impulso accenderà l'esplosione termonucleare, creando essenzialmente una piccola stella.

Accensione
Rimarranno ostacoli significativi prima che un tale processo possa essere utilizzato per generare elettricità. Si prevede che le reazioni di fusione producano da 10 a 20 volte la quantità di energia fornita dai laser. Ma questo non tiene conto dell'energia necessaria per realizzare i laser in primo luogo: convertire l'elettricità in luce laser è un processo inefficiente. Recuperare l'energia sprecata e produrre abbastanza extra per generare elettricità richiederebbe reazioni di fusione che generano circa 100 volte l'energia fornita dai laser.

Parlando in un ufficio disordinato vicino al NIF, Moses dice che ci sono almeno due modi potenziali per aggirare questo problema. Uno richiede la combinazione di due impulsi laser in un processo chiamato accensione rapida. In teoria, ciò potrebbe ridurre la quantità di energia laser necessaria per innescare una reazione prolungata. NIF, tuttavia, non è attualmente impostato per questo; è un approccio che verrà adottato da altri progetti di fusione laser ora in costruzione e, infine, anche dal NIF.

L'altro approccio, dice Moses, è combinare la fusione con la fissione, la reazione utilizzata nelle centrali nucleari convenzionali. Questa opzione non offre la stessa prospettiva di energia quasi illimitata della sola fusione, ma potrebbe aumentare di ordini di grandezza la quantità di energia che può essere estratta dall'uranio, migliorando notevolmente questa già abbondante fonte di carburante. Allo stesso tempo, potrebbe rimuovere l'obiezione principale alla fissione nucleare eliminando quasi tutte le scorie radioattive di lunga durata che normalmente produce. In questo momento otteniamo solo dal mezzo percento all'1 percento dell'energia disponibile, dice Moses. Possiamo ottenere più di 99 dollari.

I ricercatori del NIF hanno sviluppato un piano concettuale dettagliato per associare fusione e fissione. La ragione per cui i reattori nucleari usano solo una frazione dell'energia nell'uranio è che quando i prodotti di reazione si accumulano, alla fine interferiscono con le reazioni a catena necessarie per continuare a generare energia. La fusione può fornire un flusso di neutroni in grado di far continuare queste reazioni, consumando quasi tutta l'energia nel combustibile.

A dire il vero, non tutti sono d'accordo sul fatto che l'energia di fusione basata sul laser funzionerà. E alcuni scettici si chiedono se il NIF in particolare possa raggiungere la fusione autosufficiente, affermando che la struttura non può produrre impulsi laser sufficientemente ad alta energia senza danneggiare l'ottica laser o perdere la messa a fuoco stretta sul bersaglio necessaria per comprimere il carburante in modo uniforme. Anche se la struttura raggiungesse una fusione prolungata, la produzione di elettricità in una centrale elettrica richiederebbe laser in grado di accendere un nuovo pellet di combustibile da 10 a 15 volte al secondo. I laser NIF, che devono essere raffreddati tra un colpo e l'altro, possono essere sparati al massimo una volta ogni due o quattro ore. Anche se il NIF avrà il successo sperato, sarà ancora molto lontano dall'essere in grado di trasformarlo in una pratica fonte di energia, afferma Hutchinson.

NIF ha già visto alcuni segni di successo. All'inizio di quest'anno, tutti i 192 laser sono stati sparati contemporaneamente e hanno raggiunto livelli di energia sufficienti per innescare la fusione. Tuttavia, i precedenti progetti laser a Livermore avrebbero dovuto ottenere l'accensione della fusione e non l'hanno fatto. Sebbene da allora sia stato imparato molto, non c'è alcuna garanzia che funzionerà questa volta. La buona notizia è che non passerà molto tempo prima che i ricercatori lo sappiano: dopo una serie di scatti di prova, sperano in un successo entro i prossimi due anni. Non vediamo l'ora di sentire alcuni risultati, dice Hutchinson.

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