Il National Ignition Facility (NIF) utilizza 192 raggi laser per riscaldare e comprimere una piccola capsula contenente idrogeno e quindi indurre reazioni di fusione nucleare. Proprio in questi giorni i ricercatori hanno raggiunto uno storico traguardo: la capsula ha liberato più energia di quella immessa tramite i laser. Ma quindi possiamo dire che è un impianto capace di generare energia netta da fusione nucleare? In realtà no, questo traguardo è ancora lontano: cerchiamo di capire assieme perché.
Guadagno netto della reazione di fusione
Nel 2021, un team del NIF ha dimostrato di poter produrre un plasma in fiamme, uno stato in cui la fonte dominante di riscaldamento del combustibile è l'autoriscaldamento dovuto alle reazioni di fusione, piuttosto che il riscaldamento esterno da parte di impulsi laser.
Il 5 Dicembre 2022, il NIF ha riferito di aver raggiunto un'altra pietra miliare nella ricerca sulla fusione: con il loro sistema a fusione a confinamento inerziale hanno prodotto un plasma in cui l'autoriscaldamento supera localmente il riscaldamento esterno, dato dal laser, e tutti i meccanismi di perdita (come il calore dissipato, la perdita di raggi X ed elettroni), soddisfacendo il cosiddetto criterio di Lawson per l'accensione della fusione.
Durante questi esperimenti, la reazione nucleare ha generato 3,15 MJ di energia a scapito dei 2,05 MJ trasportati dai laser. I ricercatori hanno quindi dimostrato di poter produrre più energia di quanta contenuta negli impulsi laser che guidano la reazione, generando circa 1,1 MJ netti. Si parla quindi di guadagno netto della reazione nucleare, spesso identificato con G, dato dal rapporto fra l'energia generata dalla fusione e l'energia immessa nella capsula. Dunque, possiamo dire che, per la prima volta e con questo esperimento, G può superare l'unità (G>1).
Bilancio energetico complessivo del sistema
Questo guadagno netto però riguarda solo il bilancio energetico della capsula, ovvero il bilancio della reazione nucleare. E tutta l'energia utilizzata per generare i laser, per amplificarli, per alimentare i sistemi elettronici, di raffreddamento, e così via? Questi elementi non riguardano la reazione nucleare in sé, dunque non vengono considerati nel calcolo del guadagno netto della reazione di fusione.
Non sono stati pubblicati i consumi energetici dei singoli elementi, ma vediamo assieme qualche dato.
I 192 raggi laser vengono generati a partire du un unico debole impulso, di circa 1 miliardesimo di joule. Esso viene poi diviso e trasportato su fibre ottiche a 48 amplificatori che ne aumentano l'energia fino ad arrivare a qualche joule di energia, moltiplicando l'energia iniziale di un fattore pari a 10 miliardi. Questi 48 fasci vengono poi nuovamente suddivisi in quattro fasci ciascuno per arrivare a 192 raggi laser finali nell'ultimo amplificatore che li porta a circa 2.05 MJ. Questo potente sistema di amplificazione, composto da un pre-amplificatore, un amplificatore ed ad altri elementi intermedi, è uno degli elementi più energivori, ma altresì necessario per raggiunge le energie volute.
Affinché un reattore a fusione sia commercialmente fattibile e fornisca un bilancio complessivo positivo di energia, sono necessari guadagni di reazione (G), molto più elevati. Parliamo di circa 100 volte superiori,per compensare l'energia spesa nella produzione del laser, nella sua amplificazione e per coprire l'energia consumata da tutti i circuiti annessi, di raffreddamento e controllo.
L'energia totale spesa si stima attorno ai 300 MJ nell'esperimento di inizio dicembre. Si son prodotti 1.,1 MJ netti, i quali corrispondono soltanto all'1% dell'energia spesa dall'impianto per funzionare nel suo complesso. Il bilancio energetico complessivo del sistema, dunque, è ancora molto sfavorevole.
Ci sono varie sfide tecnologiche ancora da superare per arrivare ad avere un bilancio energetico complessivo positivo e poter utilizzare questo tipo di risorsa come fonte energetica futura. Senza dubbio, però, i reattori a fusione stanno evolvendo sia nell'approccio guidato dal laser nel confinamento inerziale, come mostrato dai risultati del NIF, sia nell'approccio concorrente dato dai reattori a confinamento magnetico, come ITER. Non resta che aspettare i prossimi piccoli grandi passi, per avvicinarsi sempre più alla possibilità di vedere la fusione nucleare nel panorama energetico futuro mondiale.
;)
