L’energia da fusione nucleare nel mirino
di Antonino Dattora e Riccardo de Angelis
Il 15 marzo i ricercatori della National Ignition Facility (NIF) dei Lawrence Livermore National Laboratory (Ca) hanno raggiunto un importante risultato tecnologico, molto atteso anche se non sufficiente a garantire la fattibilità della fusione nucleare.
La NIF è progettata per innescare la fusione nucleare convogliando energia mediante potenti fasci laser su un bersaglio di isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio); l’implosione porterebbe il bersaglio a temperature di milioni di gradi e densità centinaia di volte superiore a quelle di un solido, condizioni necessarie per l’ignizione del combustibile nucleare.
Il raggiungimento della potenza di progetto in tutti i 4 settori di 48 laser ciascuno dimostra la maturità della ricerca sui laser di alta potenza e sui sistemi ottici di trasporto e controllo del fascio. Per evitare danneggiamenti dovuti alle elevate concentrazioni di energia, i fasci e alcuni componenti ottici hanno dimensioni che possono raggiungere i 40 centimetri di lato. Lo “sparo” record è avvenuto senza danni rilevanti e l’impianto è stato in grado di riprendere le operazioni dopo breve tempo.
L’energia dei fasci non è la sola grandezza importante, occorre che questi siano sincroni, spazialmente uniformi, con controllo del profilo temporale e dei possibili impulsi precursori. Inoltre, enormi cristalli ottici devono convertire la radiazione infrarossa del laser in radiazione ultravioletta per una migliore interazione con il bersaglio. La focalizzazione, su bersagli di dimensioni inferiori al millimetro, deve essere molto accurata e uniforme per evitare che durante l’implosione si sviluppino instabilità che ridurrebbero la compressione finale.
Per il momento la campagna sperimentale si limita alla cosiddetta illuminazione indiretta nella quale il laser irraggia, attraverso opportune aperture, le pareti interne di un minuscolo cilindro d’oro, che a sua volta diviene un illuminatore uniforme a raggi X per la capsula di combustibile in esso contenuta.
Siamo ancora lontani da un possibile prototipo per produrre energia nucleare. Il laser necessario per un reattore dovrà produrre impulsi di questo tipo molte volte al secondo su bersagli successivi. Questo comporta un ulteriore impegno nella ricerca sui sistemi di pompaggio ottico del laser nonché della tecnologia di produzione, posizionamento e smaltimento dei bersagli. Lo sfruttamento energetico della fusione nucleare richiede la dimostrazione che nelle microesplosioni l’energia prodotta sia superiore a quella impiegata, questo è l’obiettivo fondamentale della NIC americana (National Ignition Campaign) in corso.
La progettazione dei bersagli da impiegare è tra i parametri più decisivi per raggiungere alti guadagni, la loro realizzazione richiede uno sviluppo tecnologico che dovrà anche ridurne apprezzabilmente i costi di produzione. Schemi di compressione più complessi, la ‘shock ignition’ e la ‘fast ignition’, finalizzati ad una maggiore efficienza del processo sono considerate con grande interesse. Entro un paio di anni l’impegno europeo sulla fusione inerziale sarà rivolto all’esperimento francese LMJ (Laser MegaJoule) che avrà caratteristiche simili al NIF. Inoltre è in fase di studio l‘esperimento HiPER, finanziato da molti paesi europei, che dovrebbe costituire l’ultimo gradino prima di un reattore dimostrativo.
La produzione di energia da fusione nucleare può avvenire anche seguendo un principio completamente diverso, basato sul confinamento prodotto da elevati campi magnetici. Questa via prevede la generazione di plasmi molto meno densi ma di dimensioni e tempi di vita molto maggiori. Attualmente, questo è il progetto più oneroso per la comunità europea che sta realizzando il tokamak ITER, il cui primo plasma è atteso tra poco più di 10 anni.
L’ENEA partecipa attivamente allo studio della fusione nei laboratori di Frascati dove sono presenti l’impianto ABC per lo studio di plasmi a confinamento inerziale e il tokamak FTU per lo studio del confinamento magnetico.