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Il laser più grande del mondo si accende
Il sistema laser più energico al mondo, progettato per produrre la fusione nucleare, la stessa reazione che alimenta il sole, è attivo e funzionante. Entro due o tre anni, gli scienziati prevedono di creare reazioni di fusione che rilasciano più energia di quella necessaria per produrle. Se avranno successo, sarà la prima volta che ciò verrà fatto in modo controllato, in un laboratorio piuttosto che in una bomba nucleare, cioè, e potrebbe eventualmente portare a centrali elettriche a fusione.
Centrale di fusione: 192 laser spareranno attraverso le aperture in questa camera sferica, concentrandosi vicino alla punta del cono che sporge da destra. Un lavoratore in un modulo di servizio può essere visto a sinistra.
Il Impianto di accensione nazionale (NIF), presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, comprende 192 laser che sparano contemporaneamente esattamente nello stesso punto nello spazio: una sfera di combustibile di due millimetri di diametro. Sono progettati per fornire 1,8 megajoule di energia in pochi miliardesimi di secondo. È sufficiente per comprimere il carburante fino a un granello di 50 micrometri di diametro e riscaldarlo fino a tre milioni di gradi Celsius. I laser, che sono stati sparati insieme per la prima volta il mese scorso, hanno finora prodotto impulsi di 1,1 megajoule.
A seconda di come lo si conta, è tra le 60 e le 100 volte più energico di qualsiasi sistema laser che sia mai stato costruito, afferma Edward Moses , il principale direttore associato per NIF e Photon Science presso LLNL. Alla fine, le reazioni di fusione prodotte da ciascun impulso dovrebbero generare almeno 10 volte l'energia fornita dai laser, un guadagno netto significativo che potrebbe essere utile per generare energia.
L'impianto da 3,5 miliardi di dollari, in sviluppo da 15 anni, è stato finanziato principalmente come un modo per comprendere meglio le armi nucleari, dopo il divieto di test negli anni '90. Il NIF produrrà minuscole esplosioni termonucleari che forniranno agli scienziati informazioni su cosa succede quando una bomba nucleare esplode. Questi dati possono, a loro volta, essere utilizzati per verificare simulazioni al computer che aiutano a determinare se le scorte nucleari degli Stati Uniti continueranno a funzionare con l'età delle armi. I dati potrebbero anche fornire informazioni sui processi che alimentano il sole e altre stelle e rispondere ad altre domande scientifiche. Infine, il NIF potrebbe fungere da progetto di prova per una centrale elettrica a fusione.
Per generare la fusione, vengono generati 192 raggi laser, amplificati, convertiti da luce infrarossa a ultravioletta e quindi puntati su un piccolo contenitore d'oro delle dimensioni di una gomma da matita. All'interno di quel contenitore c'è una sfera contenente il carburante: due isotopi di idrogeno chiamati deuterio e trizio. I laser sono posizionati tutt'intorno alla sfera per creare le temperature e le pressioni necessarie per innescare una reazione di fusione. Se tutto va come previsto, alcuni degli atomi di idrogeno dovrebbero fondersi, producendo elio e rilasciando energia. Ciò dovrebbe, a sua volta, causare più reazioni di fusione fino all'esaurimento del carburante. L'intero processo richiederà solo pochi miliardesimi di secondo.
Vetro innovativo: Il vetro necessario per gli amplificatori del laser è stato realizzato utilizzando tecniche sviluppate appositamente per il National Ignition Facility. Ecco alcuni esempi di vetro fosfato drogato al neodimio fuso e grezzo.
I ricercatori hanno già creato la fusione in laboratorio, ma i loro esperimenti richiedevano più energia di quanta ne producessero. Ad esempio, un sistema dei Sandia National Laboratories del Dipartimento dell'Energia, chiamato Z machine, utilizza l'elettricità invece dei laser per comprimere gli isotopi dell'idrogeno e produrre la fusione. Sarebbe necessaria una versione significativamente più grande della macchina Z per generare più energia di quanta ne usi. Moses afferma che il NIF potrebbe raggiungere un aumento della fusione in soli due o tre anni, ben prima del più famoso progetto di fusione ITER a Cadarache, in Francia, che probabilmente non sarà operativo fino al 2018. Questa è stata una grande sfida per molto tempo , quindi l'arroganza è la cosa peggiore, dice Moses. Ma pensiamo di vedere la nostra strada attraverso di essa. Quando avremo una bruciatura [fusion] nel 2010 o 2011, saremo in un posto molto eccitante. Penso che il mondo si sveglierà alle possibilità.
Moses si riferisce principalmente alle possibilità offerte da una centrale elettrica a fusione. La fusione non rappresenta alcun pericolo di proliferazione nucleare, produce pochi rifiuti e utilizza abbondanti fonti di combustibile, quindi potrebbe fornire molta energia pulita per molte migliaia di anni. Alcuni dicono che il combustibile, l'idrogeno, è virtualmente illimitato, anche se i reattori proposti utilizzeranno il trizio, un isotopo dell'idrogeno ricavato dal litio, che è più scarso.
L'impianto attuale non è costruito per generare elettricità. Ma Moses dice che con i giusti finanziamenti, una centrale elettrica che utilizza la fusione da un sistema come quello del NIF potrebbe funzionare in un decennio. Al contrario, le centrali elettriche basate sulla macchina Z a Sandia o sul sistema ITER in Francia sono lontane decenni.
Altri esperti, invece, sono più scettici. Se il NIF avrà successo, sarà ancora molto lontano dal trasformarlo in una pratica fonte di energia, afferma Ian Hutchinson , professore e capo della scienza e dell'ingegneria nucleare al MIT. Ad esempio, dice, una centrale elettrica richiederebbe che i laser si accendano molto più frequentemente dei laser NIF, da 5 a 10 volte al secondo, piuttosto che una volta ogni due giorni, come è possibile ora. (Ogni scoppio rilascerebbe energia equivalente a circa cinque chilowattora di elettricità: in confronto, una centrale nucleare media genera 12,4 miliardi di chilowattora all'anno, mentre una casa media richiede circa 1.000 chilowattora al mese.)
Al contrario, ITER utilizzerà il confinamento magnetico del plasma caldo per produrre la fusione, un sistema che produce un flusso continuo di energia che potrebbe essere più adatto alla generazione di elettricità rispetto alle brevissime esplosioni di energia prodotte dal NIF, afferma.
Indipendentemente dal fatto che porti o meno alle centrali elettriche a fusione, il NIF è significativo, afferma Stewart Prager , il direttore del Laboratorio di fisica del plasma del Dipartimento di energia presso la Princeton University. La scienza che renderà possibile non può essere fatta altrove, dice.