Negli ultimi giorni sta facendo il giro del web la notizia in merito alla storica svolta raggiunta nel campo della fusione nucleare negli USA presso il National Ignition Facility (NIF) – all'interno del Lawrence Livermore National Laboratory. Qui alcuni ricercatori studiano la fusione nucleare a Confinamento Inerziale (chiamata anche ICF), ovvero quel processo di fusione nucleare innescato dal riscaldamento e la compressione di capsule di "combustibile" nucleare, attraverso l'impiego di raggi laser ad alta energia. Scopriamo assieme questa tecnologia, il bilancio energetico generato dall'esperimento condotto al NIF, e quale sia la reale differenza con la fusione a confinamento magnetico, come il tokamak del progetto ITER.
Differenze tra fusione nucleare a confinamento inerziale e magnetico
Il processo di fusione nucleare, che alimenta le stelle, permette di liberare molta energia, molta di più rispetto a qualsiasi forma di combustione. Dall'unione di due atomi leggeri, il cosiddetto "combustibile" nucleare, si producono atomi di elio, neutroni ed energia.
Questo processo può essere riprodotto artificialmente sulla Terra grazie a varie tecnologie, come quella a confinamento inerziale o quella a confinamento magnetico.
Fusione a confinamento inerziale
La tecnica di fusione a confinamento inerziale prevede il riscaldamento e la compressione di capsule composte da una parete di materiale plastico, al cui interno viene depositato uno strato di "combustibile" nucleare, come deuterio o trizio (cioè due isotopi dell'idrogeno). Queste capsule, chiamate pellets, contengono fino a qualche milligrammo di "combustibile".
Il processo vero e proprio prende il via scaldando esternamente queste capsule usando fasci di protoni, elettroni, ioni o raggi laser ad alta energia. Questo riscaldamento può avvenire in modo diretto, se l'energia termica (ovvero il calore) viene rilasciato direttamente sulle capsule. Altrimenti, si può utilizzare una tecnica indiretta, riscaldando un cilindretto di metallo pesante, chiamato hohlraum (dal tedesco, cavità) dentro il quale giace la capsula di "combustibile".
Quando si accendono i fasci riscaldatori, le pareti delle capsule esplodono e si forma uno strato superficiale di plasma. Per bilanciare questa reazione, il "combustibile" interno implode, aumenta la propria densità, temperatura e pressione, fino ad innescare le condizioni che permettono la fusione nucleare e il rilascio di energia. Per comprendere meglio questo processo guardiamo l'immagine sottostante:
Nella fase 1 i raggi laser scaldano la superficie della capsula, formando un rivestimento di plasma attorno ad essa. Nella fase 2 vediamo come il combustibile sia compresso dallo scoppio della superficie della capsula, andando ad implodere, come si vede nel punto 3. A questo punto ha una densità e una temperatura così elevate da far avvenire la reazione di fusione (punto 4) e liberare grandissime quantità di energia.
In questi sistemi, la velocità di reazione, e dunque la produzione energetica, dipende dalla densità del "combustibile" all'interno delle capsule e, dunque, dal loro livello di compressione. Inoltre, non è necessario scaldare contemporaneamente tutte le capsule, consentendo una gestione facilitata.
Fusione a confinamento magnetico
A differenza di quanto abbiamo appena visto, la fusione a confinamento magnetico impiega magneti molto potenti per confinare il plasma caldo. Questo viene fatto all' interno di una corpo metallico a forma di ciambella (o per meglio dire, "toroide"), chiamato tokamak. Il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) nel sud della Francia prevede, appunto, questo tipo di confinamento magnetico per raggiungere un bilancio energetico positivo anche con questa tecnica.
Per approfondire, ecco un video che abbiamo realizzato sulla fusione a confinamento magnetico e sul progetto ITER:
Il traguardo raggiunto alla National Ignition Facility
Alla National Ignition Facility (NIF) è stata utilizzata la tecnica del confinamento inerziale. Più nello specifico, il traguardo è stato raggiunto sfruttando 192 raggi laser per scaldare con tecnica indiretta le capsule, contenenti circa 10 mg di isotopi di idrogeno e di diametro pari a circa 2 mm.
Il 5 dicembre scorso il team del NIF ha condotto un esperimento di fusione controllata di fondamentale importanza, producendo più energia da fusione rispetto all'energia immessa dai raggi laser. Si parla infatti di 3,15 MJ generati contro i 2,05 MJ dei raggi laser. Attenzione però, questo bilancio positivo non è il bilancio energetico complessivo: non considera, infatti, l'energia impiegata per alimentare i fasci laser e il sistema sperimentale.
Sono necessari ulteriori sviluppi scientifici e tecnologici per ottenere risultati migliori, energeticamente ed economicamente sostenibili, per la produzione di energia elettrica da questo tipo di impianto. Questo traguardo resta, comunque, un enorme passo in avanti per la scienza.
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