Iniziamo l’anno con una bella notizia: ci avviciniamo ad una energia pulita per tutti per un futuro sempre più sostenibile

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ARGOMENTO: PROGRESSI SCIENTIFICI
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Fusione nucleare

Bisogna essere positivi, ancora una volta lo studio e l’applicazione portano a risultati concreti nonostante tanti detrattori: nel campo energetico per la terza volta, si è ripetuto il terzo risultato positivo da parte del National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory, California, non progettato come una centrale elettrica ma per ricreare e studiare le reazioni che si verificano durante le esplosioni termonucleari. Attualmente il Laboratorio studia e progetta sistemi per la produzione di energia nucleare per fusione, una tecnologia avveniristica che si ritiene possa risolvere la maggior parte dei problemi energetici del pianeta, producendo quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas serra a fronte di una produzione trascurabile di scorie radioattive.

L’esterno del National Ignition Facility, un edificio di dieci piani grande quanto tre campi da calcio. NIF è il sistema laser più grande e a più alta energia del mondo e il più grande progetto scientifico della nazione. Si trova presso il Lawrence Livermore National Laboratory, nel nord della California – Exterior patio of the National Ignition Facility.jpg – Wikimedia Commons

Negli ultimi decenni, i ricercatori del NIF studiano per raggiungere la fusione nucleare, uno degli obiettivi più impegnativi di tutta la scienza applicata nel campo energetico. In realtà un primo significativo risultato era stato raggiunto il 5 dicembre 2022, anche se con una produzione limitata di energia. Ancora troppo poco per uno sfruttamento costo efficace ma una pietra miliare che fece comprendere che si era sulla via giusta. Facciamo un piccolo passo indietro, l’accensione per fusione si verifica quando la potenza termica delle particelle alfa prodotte dalle reazioni di fusione nucleare supera gli effetti di raffreddamento delle perdite legate ad esempio alle emissioni di raggi X e all’espansione per implosione. Quando un numero sufficiente di queste particelle viene assorbito nello strato di carburante ad alta densità, si genera un’ondata di reazioni di fusione che si propaga nel carburante freddo, una miscela di deuterio e trizio (due isotopi dell’idrogeno) che circonda il punto caldo. Quando la deposizione di energia da parte delle particelle contribuisce per oltre il 50% al riscaldamento del carburante, si viene a generare un circuito di feedback autosufficiente che comporta un’amplificazione esplosiva della produzione di energia.

Per creare l’accensione per fusione, l’energia laser della National Ignition Facility (NIF) viene convertita in raggi X all’interno dell’hohlraum, che poi comprimono una capsula di carburante fino a farla implodere, creando un plasma ad alta temperatura ed alta pressione – photo  credit Lawrence Livermore National Laboratory achieves fusion ignition | Lawrence Livermore National Laboratory (llnl.gov)

In parole semplici, un reattore a fusione nucleare funziona dunque come un amplificatore di energia ed il guadagno che si ottiene è dato dal rapporto tra l’energia prodotta dalla reazione di fusione e quella assorbita dal combustibile che viene innescato da raggi laser ad alta energia focalizzati all’interno di un piccolo cilindro d’oro, detto hohlraum, che contiene la sfera di combustibile. Questo metodo, detto indiretto, sfrutta i raggi-X prodotti dall’interazione tra il laser e l’hohlraum per comprimere la sfera di combustibile, garantendo una migliore simmetria di compressione rispetto all’approccio diretto.

Va compreso che la difficoltà è legata anche al combustibile impiegato che si trova allo stato di plasma, in parole semplici un gas ionizzato costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro (ovvero la cui carica elettrica totale è nulla). il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dagli stati solido, liquido e aeriforme, mentre il termine “ionizzato” indica che una frazione abbastanza grande di elettroni viene strappata dai rispettivi atomi. Esiste in natura anche sulla Terra anche se relativamente rara (fulmini e aurore boreali), ma nell’Universo costituisce più del 99% della materia conosciuta (le stelle sono sotto forma di plasma).

Il fulmine è un esempio di plasma presente sulla Terra. I valori tipici di una scarica in un fulmine sono una corrente di 30 000 ampere, una tensione di 100 milioni di volt, e l’emissione di luce e raggi X. Le temperature del plasma generato arrivano a 28 000 kelvin, e le densità di elettroni possono arrivare a 1024/m³ – da wikipedia Plasma (fisica) – Wikipedia

Un’altra difficoltà è che il combustibile per produrre energia deve essere mantenuto ad una densità sufficientemente alta e per un tempo sufficientemente lungo. Il primo entusiasmante risultato si ottenne con l’esperimento del 5 dicembre 2022, quando il NIF aveva superato la soglia di accensione producendo 3,15 megajoule (MJ) di energia di fusione impiegando 2,05 MJ di energia laser. Per comprendere la potenza di  “innesco” laser, il NIF impiega 192 fasci laser in grado di rilasciare sul target la stessa potenza istantanea richiesta in media dall’intera rete elettrica americana. Di fatto, il 30 luglio 2023, il laser NIF applicando sempre 2,05 MJ di energia sul bersaglio, ottenne 3,88 MJ di produzione di energia. L’esperimento si ripeté l’8 ottobre 2023 e per la terza volta il NIF ottenne l’accensione impiegando meno energia laser (1,9 MJ) producendo una resa minore di 2,4 MJ. Pochi giorni dopo, il 30 ottobre 2023, il NIF stabilì un nuovo record, utilizzando per la prima volta una maggiore quantità di energia di innesco (2,2 MJ) ed ottenendo 3,4 MJ di energia di fusione, la seconda più alta produzione di neutroni mai ottenuta.

Un passo avanti importante ma, sebbene si sia ottenuto un guadagno energetico netto, realizzare una centrale elettrica a fusione nucleare richiederà ancora molto tempo. Di certo i successi avvenuti nel 2023 hanno sconfessato coloro che ritenevano lo sfruttamento dell’energia nucleare per fusione una chimera; i detrattori si basavano sull’assunto che sarebbe stato impossibile raggiungere il livello di precisione necessario con i laser per innescare il combustibile che doveva essere a sua volta mantenuto nel necessario stato fisico. I risultati sono ora incoraggianti e, sebbene ci vorranno ancora una decina di anni per poter  utilizzare questa energia pulita e sostenibile, bisogna continuare ad investire formando ingegneri e ricercatori che con il loro impegno potranno assicurare un futuro migliore per tutti.

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