New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

La ricerca di dominare il potere delle stelle è da tempo un obiettivo centrale della fisica, con l'obiettivo di replicare il processo che alimenta il sole: la fusione nucleare. In questo processo, atomi leggeri vengono forzati insieme sotto un'immensa pressione e calore per formare atomi più pesanti, rilasciando enormi quantità di energia. Sebbene gli scienziati abbiano avuto successo nella creazione di reazioni di fusione nei laboratori, trasformare quel fugace scoppio di potenza in una fonte di elettricità costante e affidabile per le nostre reti elettriche rimane una delle sfide ingegneristiche più difficili sulla Terra. Gli ostacoli primari riguardano la compressione perfetta di un minuscolo pellet di combustibile e la successiva cattura dell'energia risultante senza distruggere la macchina che la contiene. Gli approcci tradizionali spesso faticano con la simmetria della compressione o la durabilità delle pareti del reattore, che devono resistere a intensi scoli di radiazioni e calore.

In una nuova proposta, Yuri Chivel di MerPhotonics delinea un approccio distinto per risolvere questi problemi, combinando un design laser innovativo con una struttura del reattore radicalmente diversa. L'idea centrale è quella di sostituire i complessi sistemi laser multistadio attualmente utilizzati con una disposizione sferica più semplice che agisca come un unico, massiccio strumento ottico. Invece di sparare laser dall'esterno verso l'interno, questo design immagina un reattore in cui i componenti laser stessi formano il guscio della sfera, creando un'onda di luce uniforme che converge su un bersaglio posto proprio al centro. Questo metodo mira a comprimere il pellet di combustibile con una simmetria perfetta, un requisito critico per il successo che storicamente è stato difficile da raggiungere.

Il reattore descritto è una sfera di quattro metri di diametro, rivestita da centinaia di elementi laser a forma di disco. Questi elementi sono disposti in uno strato concentrico, creando una grande cavità. Nella fase lineare di funzionamento, la luce rimbalza avanti e indietro all'interno di questa grande sfera, accumulando un particolare schema di energia con un punto focale proprio nel mezzo. L'innovazione risiede nel modo in cui l'impulso viene attivato. Invece di utilizzare complessi otturatori elettronici per rilasciare l'energia, il sistema utilizza il pellet di combustibile stesso come interruttore. Quando un piccolo pellet contenente una miscela di deuterio e trizio viene sparato al centro della sfera ad alta velocità, esso blocca fisicamente la grande cavità. Questo costringe la luce a passare a cavità molto più piccole, formate dai dischi laser. Questo cambiamento improvviso fa sì che l'energia accumulata venga rilasciata tutta in una volta in un impulso sincronizzato di durata nanosecondale che colpisce il pellet da ogni direzione simultaneamente, schiacciandolo con una forza immensa.

Una volta compresso, il pellet deve essere innescato per avviare la reazione di fusione. Il documento suggerisce una strategia di "accensione rapida" (fast ignition) che separa la fase di compressione dalla fase di riscaldamento. Invece di fare affidamento su un singolo e massiccio raggio laser per riscaldare il combustibile compresso, questo design utilizza un sistema di sei o dieci impulsi laser più brevi e ultra-rapidi. Questi impulsi colpiscono la superficie del pellet compresso, generando potenti fasci di particelle cariche — specificamente ioni di deuterio e trizio. Questi fasci di ioni sono generati tramite shock collisionless eccitati direttamente nel plasma corona che circonda il pellet compresso. I fasci collidono poi al centro del pellet, trasferendo la loro energia direttamente nel combustibile e alzando la temperatura abbastanza da innescare la reazione di fusione. Questo metodo è proposto come più efficiente rispetto ai tentativi precedenti perché gli ioni sono generati direttamente nella corona del plasma del pellet compresso, riducendo la perdita di energia e permettendo un sistema di accensione più compatto.

Forse la deviazione più significativa dai design standard è il trattamento della parete interna del reattore. Nella maggior parte dei concetti di fusione, la prima parete è una barriera solida fatta di metallo o carbonio che assorbe il calore e la radiazione della reazione, danneggiandosi infine e richiedendo sostituzioni frequenti. Chivel propone una prima parete trasparente in vetro di silice fusa. Questo vetro è progettato per lasciare che l'intenso flusso di neutroni e i raggi gamma della reazione di fusione passino attraverso di esso senza essere assorbiti. Dietro questa parete di vetro scorre uno strato spesso d'acqua, che funge da vero assorbitore. I neutroni rallentano nell'acqua, trasferendo la loro energia sotto forma di calore, che può poi essere utilizzato per generare elettricità. Questo design protegge la struttura in vetro dal diretto shock termico e dal danno da radiazione che tipicamente distruggono le pareti solide, mentre l'acqua cattura l'energia in modo efficiente.

Per garantire che gli ioni ad alta velocità prodotti durante la reazione non colpiscano e danneggino la parete di vetro, il documento introduce uno scudo magnetico unico creato dalla luce stessa. Posizionando due fasci anulari in due cavità di potenziamento ottico mutuamente perpendicolari, il sistema forma una trappola magnetica laser dove i fasci si intersecano. Questa intersezione genera un campo magnetico abbastanza forte da deflettere le particelle cariche lontano dalla parete e mantenerle contenute al centro del reattore. Questo "confinamento magnetico laser" agisce come una barriera invisibile, proteggendo la delicata struttura in vetro dal violento plasma dell'evento di fusione. L'intero sistema è progettato per operare con un ciclo termodinamico a bassa temperatura, utilizzando l'acqua riscaldata per azionare turbine, una scelta che privilegia la semplicità e l'affidabilità rispetto alle temperature estreme spesso associate ad altri concetti di fusione.

Il documento presenta queste idee come un quadro teorico coeso supportato da calcoli e simulazioni. L'autore suggerisce che questa combinazione di un array laser sferico, un meccanismo di impulso attivato dal pellet e una parete di vetro trasparente con raffreddamento ad acqua potrebbe superare i problemi di simmetria e durabilità che hanno afflitto i progetti precedenti. Sebbene la proposta si basi su principi stabiliti di fisica dei laser e dinamica dei plasmi, l'integrazione specifica di questi elementi in un unico, semplificato' architettura di reattore rimane un concetto da testare. Il lavoro non sostiene di aver costruito il reattore, ma offre piuttosto un dettaglio di progetto su come tale macchina potrebbe essere costruita per raggiungere il tanto ricercato obiettivo dell'energia da fusione pratica.