Fusion Ignition diventa una Realtà; Energy Breakeven raggiunto al Lawrence Laboratory

SCIENZEFISICAFusion Ignition diventa una Realtà; Energy Breakeven raggiunto al Lawrence Laboratory

Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno raggiunto l'accensione della fusione e il pareggio energetico. Il 5th Dicembre 2022, il team di ricerca ha condotto un esperimento di fusione controllata utilizzando i laser quando 192 raggi laser hanno fornito più di 2 milioni di joule di energia UV a una minuscola pastiglia di combustibile nella camera bersaglio criogenica e ha raggiunto il pareggio energetico, il che significa che l'esperimento di fusione ha prodotto più energia di fornito dal laser per guidarlo. Questa svolta è stata raggiunta per la prima volta nella storia dopo decenni di duro lavoro. Questa è una pietra miliare nella scienza e ha implicazioni significative per la prospettiva di un'energia da fusione pulita in futuro verso un'economia a zero emissioni di carbonio, per combattere il cambiamento climatico e per mantenere il deterrente nucleare senza ricorrere a test nucleari per la difesa nazionale. In precedenza, l'8thAgosto 2021, il gruppo di ricerca aveva raggiunto la soglia dell'accensione della fusione. L'esperimento aveva prodotto più energia di qualsiasi altro precedente esperimento di fusione, ma non è stato raggiunto il pareggio energetico. L'ultimo esperimento condotto il 5th Il dicembre 2022 ha compiuto l'impresa del pareggio energetico fornendo così la prova del concetto che la fusione nucleare controllata può essere sfruttata per soddisfare il fabbisogno energetico, sebbene l'applicazione pratica dell'energia da fusione commerciale può essere ancora molto lontana.

Le reazioni nucleari producono grandi quantità di energia equivalenti alla quantità di massa persa, secondo l'equazione di simmetria massa-energia E=MCdi Einstein. Reazioni di fissione che comportano la rottura di nuclei di combustibile nucleare (elementi radioattivi come l'uranio-235) sono attualmente impiegate nei reattori nucleari per la generazione di energia. Tuttavia, i reattori basati sulla fissione nucleare corrono elevati rischi umani e ambientali, come evidente nel caso di Chernobyl, e sono noti per la generazione di scorie radioattive pericolose con tempi di dimezzamento molto lunghi che sono estremamente difficili da smaltire.

In natura, stelle come il nostro sole, la fusione nucleare che comporta la fusione di nuclei più piccoli di idrogeno è il meccanismo di generazione dell'energia. La fusione nucleare, a differenza della fissione nucleare, richiede temperature e pressioni estremamente elevate per consentire ai nuclei di fondersi. Questo requisito di temperatura e pressione estremamente elevate è soddisfatto al centro del sole, dove la fusione dei nuclei di idrogeno è il meccanismo chiave della generazione di energia, ma finora non è stato possibile ricreare queste condizioni estreme sulla terra in condizioni di laboratorio controllate e, di conseguenza, i reattori a fusione nucleare non sono ancora una realtà. (La fusione termonucleare incontrollata a temperatura e pressione estreme create dall'attivazione del dispositivo di fissione è il principio alla base dell'arma all'idrogeno).

Fu Arthur Eddington a suggerire per primo, nel lontano 1926, che le stelle traessero la loro energia dalla fusione dell'idrogeno in elio. La prima dimostrazione diretta della fusione nucleare avvenne in laboratorio nel 1934, quando Rutherford mostrò la fusione del deuterio in elio e osservò che "si produceva un enorme effetto" durante il processo. In considerazione del suo enorme potenziale per fornire energia pulita illimitata, ci sono stati sforzi concertati da parte di scienziati e ingegneri di tutto il mondo per replicare la fusione nucleare sulla Terra, ma è stato un compito arduo.

A temperature estreme, gli elettroni vengono separati dai nuclei e gli atomi diventano gas ionizzato composto da nuclei positivi ed elettroni negativi, quello che chiamiamo plasma, che è un milionesimo di volte meno denso dell'aria. Questo rende l'ambiente di fusione molto tenue. Affinché la fusione nucleare avvenga in un tale ambiente (che potrebbe produrre una quantità apprezzabile di energia), dovrebbero essere soddisfatte tre condizioni; dovrebbe esserci una temperatura molto elevata (che potrebbe provocare collisioni ad alta energia), dovrebbe esserci una densità di plasma sufficiente (per aumentare la probabilità di collisioni) e il plasma (che ha una propensione ad espandersi) dovrebbe essere confinato per un periodo di tempo sufficiente a consentire la fusione. Ciò rende lo sviluppo dell'infrastruttura e della tecnologia per contenere e controllare il plasma caldo l'obiettivo principale. Forti campi magnetici potrebbero essere usati per trattare il plasma come nel caso di Tokamak di ITER. Il confinamento inerziale del plasma è un altro approccio in cui capsule piene di isotopi di idrogeno pesanti vengono implose utilizzando raggi laser ad alta energia.

Gli studi sulla fusione condotti presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del NIF hanno utilizzato tecniche di implosione guidate da laser (fusione a confinamento inerziale). Fondamentalmente, capsule di dimensioni millimetriche riempite di deuterio e trizio sono state fatte implodere con laser ad alta potenza che generano raggi X. La capsula si riscalda e si trasforma in plasma. Il plasma accelera verso l'interno creando condizioni di pressione e temperatura estreme quando i combustibili nella capsula (atomi di deuterio e trizio) si fondono, rilasciando energia e diverse particelle comprese le particelle alfa. Le particelle rilasciate interagiscono con il plasma circostante e lo riscaldano ulteriormente portando a più reazioni di fusione e rilascio di più "energia e particelle" creando così una catena autosufficiente di reazioni di fusione (chiamata "accensione da fusione").

La comunità di ricerca sulla fusione ha cercato per diversi decenni di ottenere "l'accensione della fusione"; una reazione di fusione autosufficiente. L'8th Agosto 2021, il team del Lawrence Laboratory è arrivato alla soglia dell '"accensione a fusione" che ha raggiunto il 5th Dicembre 2022. In questo giorno, l'accensione della fusione controllata sulla Terra è diventata una realtà: una pietra miliare nella scienza raggiunta!

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Redattore, Scientific European

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