The optimal injection energy for beam-driven proton–boron fusion lies above the 675 keV resonance

Nella ricerca di come sfruttare la potenza delle stelle, gli scienziati hanno a lungo guardato a una specifica ricetta che coinvolge idrogeno e boro. A differenza della miscela di combustibile a fusione più comune composta da isotopi dell'idrogeno, questa combinazione offre un vantaggio distinto: produce quasi nessun neutrone, il che significa meno danni da radiazioni ai macchinari circostanti e un percorso più pulito verso l'elettricità. Tuttavia, far accadere questa reazione è notoriamente difficile. Richiede il riscaldamento del combustibile a temperature molto più elevate rispetto a quelle necessarie per altri tipi di fusione e, fino a tempi recenti, l'energia necessaria per creare tali condizioni sembrava superare l'energia che la reazione avrebbe mai potuto produrre. La strategia prevalente per risolvere questo problema è stata quella di concentrarsi su un livello di energia specifico dove gli atomi hanno maggiore probabilità di collidere e fondersi, un punto noto come risonanza.

Una nuova analisi del ricercatore indipendente Oleg Agamalov mette in discussione l'assunto di lunga data secondo cui puntare a questo punto di collisione massimo sia il modo più efficiente per far funzionare una macchina. Sebbene la probabilità che due atomi si fondano sia effettivamente massima a una specifica energia, l'efficienza complessiva di una macchina dipende da molto più di quel singolo momento di impatto. Dipende dall'intero viaggio delle particelle di combustibile mentre rallentano e perdono energia. Il lavoro di Agamalov suggerisce che, regolando leggermente la velocità iniziale del combustibile, gli ingegneri possono estrarre molta più energia dalla stessa quantità di energia in ingresso, senza dover inventare nuova fisica o costruire interi nuovi tipi di reattori.

Per decenni, i ricercatori che progettano macchine per guidare la fusione protone-boro hanno mirato a un livello di energia specifico di 675 kiloelettronvolt. Questo numero corrisponde a un picco netto nella probabilità che un protone colpisca un nucleo di boro e lo divida in tre particelle di elio. La logica era semplice: se la reazione avviene più spesso a questa energia, allora iniettare il combustibile esattamente a questa velocità dovrebbe dare i risultati migliori. Questo approccio è diventato lo standard per ogni schema di fusione non termica attualmente perseguito, con la convinzione che posizionare gli ioni su questa risonanza massimizzi il bilancio di potenza.

Tuttavia, Agamalov sottolinea che questa visione trascura un dettaglio cruciale su come funzionano realmente queste macchine. In un dispositivo pilotato, il combustibile non è fermo in una zuppa calda; è un flusso di particelle veloci iniettate in un bersaglio. Una volta iniettate, queste particelle non si fondono istantaneamente e si fermano. Al contrario, viaggiano attraverso il combustibile, collidendo con gli elettroni e perdendo gradualmente velocità, un processo noto come rallentamento. Durante tutto questo viaggio, dal momento della loro iniezione fino al loro arresto, esse cercano costantemente di fondersi. L'energia totale prodotta non riguarda solo il momento dell'iniezione, ma la somma di tutti i tentativi di fusione compiuti durante il rallentamento della particella.

Quando si calcola l'energia totale guadagnata dalla macchina rispetto all'energia spesa per creare il fascio, la matematica cambia. L'analisi mostra che il punto di partenza più efficiente non è la risonanza di 675 kiloelettronvolt, ma un'energia leggermente superiore di 0,85 megaelectronvolt. A questa velocità maggiore, le particelle trascorrono un po' più di tempo nell'intervallo di energia in cui la fusione è ancora piuttosto efficace, e il costo per accelerarle a questa velocità superiore è compensato dagli extra reazioni di fusione che innescano durante il rallentamento. Lo studio calcola che spostare l'energia di iniezione dai tradizionali 675 kiloelettronvolt a 0,85 megaelectronvolt aumenterebbe l'energia guadagnata dal sistema del 25 percento.

Questa scoperta è significativa perché non richiede una svolta nei materiali, un nuovo modo per confinare il plasma o un cambiamento nei campi magnetici utilizzati per contenere il combustibile. È un semplice aggiustamento della tensione dell'iniettore. Il documento esclude esplicitamente l'idea che si debba puntare all'energia assolutamente più alta dove la velocità di reazione è teoricamente più veloce, che si verifica vicino a 3,7 megaelectronvolt. Sebbene la velocità di reazione sia effettivamente più alta lì, il costo energetico per portare le particelle a quella velocità è così immenso, e il tempo che trascorrono in intervalli di energia meno produttivi è così lungo, che l'efficienza complessiva della macchina scende del 40 percento rispetto all'ottimo di 0,85 megaelectronvolt.

La ricerca si basa sull'integrazione del comportamento noto di come i protoni perdono energia in un gas di elettroni con le probabilità misurate di fusione a diverse velocità. Eseguendo questi calcoli, l'autore dimostra che il "punto ideale" per il guadagno ingegneristico è un plateau piuttosto che un picco acuto, situandosi comodamente tra la risonanza tradizionale e il massimo teorico. Il risultato è una raccomandazione chiara e azionabile per chiunque costruisca un dispositivo di fusione protone-boro: aumentare leggermente la tensione. Questo aggiustamento offre un miglioramento sostanziale e immediatamente accessibile delle prestazioni, trasformando un bilancio di potenza marginale in uno più vitale semplicemente cambiando l'energia di iniezione.