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Alessandro Berlingeri

Fusione Nucleare: Atzeni (Sapienza) “il plasma non si comporta come previsto durante i test di fusione nucleare”

(16 Novembre 2022)

Prof. Stefano Atzeni – Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria – Sapienza Università di Roma.

(30Science.com) ─ Roma, 16 nov. ─ Una deviazione rispetto a quanto previsto all’accensione di un plasma termonucleare è stata osservata durante gli esperimenti di fusione a confinamento inerziale presso il laser National Ignition Facility (NIF). A realizzare l’esperimento sono stati i ricercatori di Lawrence Livermore National Laboratory, coordinati dal dr. Hartouni, in collaborazione con colleghi del Plasma Science and Fusion Center del Massachusetts Institute of Technology (MIT), General Atomics e Los Alamos National Laboratory, negli Stati Uniti, e con il Centre for Inertial Fusion Studies dell’Imperial College di Londra. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature Physics.

Comprendere la causa di questo scostamento dal comportamento previsto potrebbe essere importante per ottenere un’accensione – ignizione nel linguaggio tecnico specifico – robusta e riproducibile. In particolare, la ricerca ha evidenziato che nei “burning plasmas” (plasmi in combustione) la distribuzione di energia dei nuclei atomici reagenti devia dalla distribuzione termica maxwelliana prevista. Negli esperimenti condotti al NIF un “bersaglio” sferico di dimensioni millimetriche, contenente una miscela di isotopi dell’idrogeno deuterio e trizio, viene compresso ad altissime densità e pressione, superiori a quelle del centro del Sole, per innescare reazioni di fusione nucleare. L’obiettivo è ottenere una produzione netta di energia. Tali reazioni generano neutroni e particelle alfa (nuclei di elio). Queste ultime svolgono un ruolo centrale nel riscaldamento del combustibile, per ottenere una reazione termonucleare prolungata. Infatti il riscaldamento causato dalle alfa aumenta la temperatura del plasma, cioè l’energia cinetica media dei nuclei, portando a una maggiore reattività.

Ne ha parlato a 30Science.com il professor Stefano Atzeni del Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria di Sapienza Università di Roma, autore di una News&Views sull’argomento, pubblicata su Nature Physics a commento dell’articolo di Hartouni.

Ricerca sulla fusione nucleare. Vista all’interno della camera target presso la National Ignition Facility (NIF), presso il Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA. Questo sito sta tentando di avviare e controllare la fusione dell’idrogeno come fonte di energia sostenibile per un uso futuro. I raggi di 192 laser sono focalizzati qui su una capsula di gas deuterio-trizio (DT) larga 2 millimetri. L’energia totale focalizzata è di 1,8 megajoule. L’inserimento del bersaglio (in basso a sinistra) viene osservato attraverso i portelli (uomo in basso a destra). I primi esperimenti sono stati eseguiti qui nel 2009, dopo oltre un decennio di costruzione. LAWRENCE LIVERMORE LABORATORIO NAZIONALE / BIBLIOTECA FOTOGRAFICA DELLA SCIENZA


Cosa significa questa scoperta dei ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory?

Questo risultato pubblicato su Nature Physics è senz’altro importante, ma estremamente tecnico. In realtà è il sottoprodotto di esperimenti eseguiti nel 2021, in cui per la prima volta si è prodotto prima un burning plasma e poi un ignited plasma, cioè plasmi di deuterio e trizio in cui l’energia rilasciata dalle reazioni di fusione ha dato un contributo importante al bilancio energetico del plasma stesso. In un burning plasma questa energia diventa comparabile con l’energia interna del plasma. In un ignited plasma la potenza, istante per istante, eccede la potenza persa dal plasma per emissione di fotoni e per altri meccanismi. Questi risultati sono per certi versi epocali perché nell’esperimento di maggior successo si è avuta una produzione di energia di più di 50 volte superiore a quella ottenuta negli anni precedenti e si è quasi arrivati ad una produzione di energia confrontabile con quella del laser. Questo ovviamente non è sufficiente per produrre energia in un reattore, in cui si dovrà rilasciare decine di volte l’energia dell’impulso laser, però è un passo notevolissimo: per la prima volta un plasma si è autoriscaldato. E’ ragionevole ritenere che siamo sulla strada buona per avere altri progressi notevoli. Siamo arrivati al punto in cui un piccolissimo miglioramento nella compressione del plasma può portare ad un grande incremento delle reazioni di fusione.

Credit: Rswilcox.


In che modo il comportamento del plasma si è discostato rispetto a quello previsto?

Andando ad analizzare nel dettaglio alcuni aspetti molto specifici, in particolare lo spettro energetico, cioè la distribuzione in energia, dei neutroni emessi dalle reazioni si riesce a risalire alla temperatura del plasma e ad altre proprietà dei nuclei che reagiscono.

La cosa sorprendente è stata che ci si aspettava che le distribuzioni di velocità e quindi di energia cinetica degli ioni fossero distribuzioni maxwelliane, cioè che gli spettri neutronici avrebbero dovuto soddisfare certe relazioni a suo tempo studiate e predette che erano state verificate in tutti gli esperimenti precedenti. Invece si è visto che, entrando nei nuovi regimi di burning plasma o di ignited plasma quelle relazioni non sono rigorosamente soddisfatte. Non è che siano violate completamente però, oltre ogni ragionevole dubbio relativo alle barre di errore degli esperimenti, c’è qualcosa che non torna.

Perché questo risultato è così importante?

Questo è importante, anche se ancora non ne comprendiamo l’origine e quindi non possiamo valutarne pienamente le implicazioni. Ritengo non sia tale da alterare in modo sostanziale il bilancio di potenza o di energia del plasma, però è indice sicuramente del fatto che i processi fisici che avvengono in un plasma termonucleare in condizioni vicine alle condizioni di ignizione, con temperature che superano i 50 milioni di gradi e pressioni che superano i 300 miliardi di atmosfere, non le conosciamo bene. Evidentemente i nostri programmi di calcolo non le predicono in modo così accurato come ci sarebbe potuto aspettare.
Questo risultato non è di per sé un risultato rivoluzionario, ma lo è certamente quello di un anno e mezzo fa in cui si è prodotta molta più energia che negli esperimenti precedenti. È però una indicazione evidente di due fatti: la necessità di ricerca fondamentale affinché possiamo aver confidenza nei programmi di calcolo che usiamo nel progetto di futuri esperimenti; la necessità di raffinate tecniche di misura, che noi chiamiamo diagnostiche, si che richiedono spesso notevoli impegni in termini sia finanziari sia di risorse umane.

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory.


Cosa avviene durante questi esperimenti che li porta a raggiungere tali costi?

Il maggior costo è quello del laser e dei suoi ausiliari, ma anche la strumentazione contribuisce. Nello specifico, per riuscire a misurare nei dettagli lo spettro dei neutroni, cioè la velocità dei neutroni, bisogna avere dei rivelatori molto sensibili disposti a grande distanza dal punto in cui vengono le reazioni, in modo che neutroni con diversa velocità arrivino in istanti diversi. Per far questo appunto c’è bisogno che la strumentazione sia disposta a molti metri dal cuore del reattore, nella fattispecie 19 metri. Quindi, grandi apparecchiature, con un’elettronica estremamente raffinata per riuscire ad eliminare i rumori di fondo. Siccome non è garantito a priori che le reazioni che studiamo avvengano in modo simmetrico, cioè che il plasma che brucia abbia simmetria sferica, c’è bisogno di eseguire le stesse misure lungo un certo numero di direzioni diverse per poter valutare il grado di isotropia, cioè di dipendenza angolare delle emissioni.

Quanti laboratori nel mondo riescono a raggiungere questa accuratezza nelle misure?

Apparati di questo tipo, così raffinati sono presenti solo presso il Lawrence Livermore National Laboratory. Altri sono in costruzione presso il laser LMJ del Commissariat a l’Energie Atomique a Bordeaux. Apparati simili, di performance un po’ inferiori, li ha il Laboratory for Laser Energetics (LLE) a Rochester, negli Stati Uniti, dove tra l’altro sono state testate le strumentazioni poi portate al Livermore. Il lavoro di sviluppo è stato fatto parte a Livermore stesso e in parte a Rochester da colleghi del MIT.

Un tecnico lavora presso la National Ignition Facility. Gli scienziati hanno utilizzato la serie di 196 laser per creare condizioni simili al gas caldo all’interno di giganteschi ammassi di galassie. CREDIT National Ignition Facility


Quali sono le differenze tra le due tecnologie, confinamento inerziale e confinamento magnetico, attualmente impiegate per i reattori sperimentali a fusione?

Le differenze sono notevolissime, per quel che riguarda lo schema con cui si ottengono le reazioni, mentre le reazioni sono le stesse, con gli stessi prodotti, le stesse energie di reazione, quindi anche lo stesso combustibile primario. In entrambi i casi è necessario raggiungere temperature superiori ai 50 milioni di gradi.

Negli schemi di fusione inerziale, specificamente con laser, si utilizzano laser di grande potenza e con impulsi molto brevi, dell’ordine del miliardesimo di secondo, per comprimere, attraverso un sistema abbastanza complesso, il bersaglio. Un elemento di combustibile viene irraggiato con un laser, reagisce e poi, dopo un certo tempo, un altro elemento viene irraggiato e tutta la reazione avviene a densità elevatissime, superiori alle densità che si hanno al centro del Sole. Il processo di reazione avviene grosso modo in un decimo di nanosecondo.

Nel confinamento magnetico si utilizza un plasma a densità relativamente bassa, molto più bassa della densità dell’aria. Essendo il plasma un gas ionizzato, costituito da particelle cariche, si possono usare campi magnetici per limitare il moto delle particelle. Questo si fa in particolare con macchine denominate tokamak, una configurazione toroidale, cioè una specie di ciambella, in cui dei potenti magneti (superconduttori nelle macchine più moderne) generano campi magnetici che confinano il plasma. L’obiettivo è di mantenere il plasma in queste condizioni di temperatura molto elevata, bassa densità e confinato per tempi molto lunghi, in prospettiva anche ore. Oggi nelle macchine superconduttrici si possono realizzare scariche della durata di alcuni minuti, nelle macchine non superconduttrici alcuni secondi.

Quale tra i due metodi è attualmente più performante?

Dal punto di vista delle performance di punta forse sono equivalenti o al momento c’è un leggero vantaggio della fusione inerziale. I miei colleghi che si occupano di fusione magnetica le direbbero subito però che il loro schema è probabilmente più ingegnerizzato, cioè che la tecnologia per utilizzare il loro schema è molto più sviluppata di quella dei laser. In effetti i laser per fusione necessitano di grandi sviluppi al fine di conseguire le efficienze, frequenze di operazione e durata necessarie per l’impiego in un reattore (energia e potenza sono invece già adeguate).

Il primo reattore a fusione sarà a confinamento magnetico o laser ed entro che anno?

Su questo non so rispondere e non la vedo come una gara. Secondo me, c‘è bisogno di continuare a fare ricerca su entrambe le linee. Ad esempio, per il confinamento magnetico una grande cooperazione internazionale sta costruendo il reattore sperimentale ITER. Sarà un dimostratore di principio e potrà testare molte soluzioni tecnologie, ma la sua efficienza globale sarà ancora inferiore a quella necessaria per la produzione netta e continuativa di energia. Inoltre rimane il grande problema del danneggiamento delle pareti della macchina, che avranno durata nettamente più breve della vita del reattore e andrebbero quindi periodicamente sostituite. Inoltre, ITER comincerà ad operare con idrogeno, quindi non con un combustibile nucleare, fra tre o quattro anni. L’operazione con deuterio-trizio, cioè quella in cui si produrranno grandi potenze, non comincerà prima del 2037. Non si può quindi prevedere che un reattore a fusione magnetica possa immettere energia in rete prima del 2050. Considerazioni analoghe possono essere effettuate per la fusione inerziale.

Quali sono le nazioni che stanno puntando maggiormente sulla fusione nucleare?

Per la fusione a confinamento magnetico, c’è un notevole impegno in tutti i paesi maggiormente industrializzati. Alla realizzazione di ITER concorrono Unione Europea (con importante partecipazione italiana), Stati Uniti e Giappone, e anche Cina, India, Corea e altre nazioni. Attività collaterali sono in corso in molti laboratori, dove operano o sono in fase di costruzione macchine sperimentali di dimensioni inferiori a ITER, con cui si studiano specifici aspetti di fisica e tecnologia. In particolare un nuovo tokamak con magneti superconduttori, DTT, è in costruzione a Frascati.

Per la fusione a confinamento inerziale, l’impegno americano è confrontabile con quello per la fusione magnetica. Notevoli programmi sono in corso in Francia e Cina. Molte altre nazioni hanno attività di dimensioni minori, ma che hanno fornito negli anni importanti contributi scientifici. Fra questi citerei quelli dei gruppi teorici e computazionali della Sapienza, di Pisa, di Frascati. Si deve però dire che fino allo scorso anno le stesse ricerche americane non erano finalizzate alla produzione di energia. I risultati eclatanti di cui abbiamo parlato hanno portato a un cambio di prospettiva. Per esempio, a giugno si è tenuto un workshop su “Basic Research Needs for Inertial Fusion Energy”. Si è trattato di un convegno nazionale americano, a cui è stato invitato un piccolo numero di stranieri, tra cui io, e si è parlato concretamente di cosa si deve fare per passare da una fase scientifica a una fase di sviluppo mirato alla produzione energia da fusione inerziale.

In conclusione, non si può prevedere una data per la messa in rete del primo reattore a fusione, e non si può nemmeno essere certi che si possa realizzarlo. In ogni caso, molto lavoro è stato fatto e molto altro è in corso, coinvolgendo migliaia di scienziati, ingegneri e tecnologi. (30Science.com)

 

Alessandro Berlingeri
Adoravo parlare di Fantascienza con mia madre prima di dormire e tirar fuori strane teorie anziché ascoltare le favole della buonanotte. La conseguenza? Una laurea in Fisica all’Università degli Studi di Roma "Tor Vergata" con una tesi sui “Metodi per la Ricerca di Pianeti Extrasolari”. Mi dedico dal 2008 alla Divulgazione Scientifica ovunque sia possibile, nelle scuole, in grandi eventi pubblici, in musei, in grandi strutture scientifiche di Roma, radio, televisione, internet.. ovunque! Ho affiancato il tutto alle mie passioni di tutta una vita: il nuoto, la musica, il cinema ed ogni sfaccettatura nerd che si possa immaginare.