Fusione nucleare con i laser al “giro di boa”

Il momento atteso da tempo è praticamente arrivato! Il Lawrence Livermore National Laboratory ha annunciato il sostanziale raggiungimento dell’ “ignizione” nell’esperimento di fusione nucleare con i laser in corso presso la National Ignition Facility (NIF). Si tratta di un traguardo storico nella corsa internazionale alla fusione termonucleare controllata, una fonte di energia sicura e pressoché inesauribile, senza produzione di CO2, di altri gas “serra” o di scorie radioattive a lungo tempo di decadimento.

Nell’esperimento della NIF, per la prima volta nella storia, l’energia prodotta per effetto della fusione nucleare è stata pressoché pari all’energia spesa per comprimere e riscaldare il plasma in modo da raggiungere la condizione di fusione. Lo schema di Fusione per Confinamento Inerziale (ICF) usato nell’esperimento si basa sulla compressione rapida, tramite irraggiamento con laser di alta potenza, di un guscio sferico di dimensioni millimetriche, riempito di deuterio e trizio (atomi di idrogeno pesante); in seguito alla compressione, la capsula di combustibile raggiunge temperature e pressioni elevatissime in grado di innescare la fusione nucleare ed emettere sufficiente energia prima di espandersi nuovamente. Già in passato la NIF aveva dimostrato una produzione di energia record di 150 kJ (1 kJ=1000 Joule), ma questo nuovo risultato, con oltre 1.35 MJ (1 MJ= 1 milione di Joule) di energia prodotta, pari ad oltre 5 volte l’energia assorbita e oltre il 70% dell’energia laser totale impiegata pari a 1.9 MJ, mostra per la prima volta che l’ignizione è effettivamente possibile.

Questo risultato storico arriva dopo quasi 50 anni dall’ideazione della fusione per confinamento inerziale di deuterio e trizio, concepita nel 1972. Inizialmente si era ipotizzato di ottenere la fusione con 1 kJ di energia laser, ma gli studi sperimentali hanno poi mostrato quanto questa previsione fosse fin troppo ottimistica, fino a giungere alla configurazione attuale che utilizza ben 2 MJ di energia laser. Anche la configurazione della capsula è cambiata rispetto a quella ipotizzata inizialmente; se inizialmente si prevedeva di irraggiare direttamente con il laser un semplice guscio di plastica riempito di gas di deuterio e trizio, nella configurazione studiata attualmente a NIF, la capsula di combustibile viene inserita al centro di una cavità di metallo, l’hohlraum, e viene irraggiata dalla radiazione X prodotta dall’interazione dei fasci laser con le pareti interne della cavità.

Il successo dell’esperimento è frutto della collaborazione tra i grandi Laboratori statunitensi, ma si deve anche a centinaia di scienziati di tutto il mondo che hanno contribuito a definire il quadro scientifico di riferimento e a sviluppare i modelli teorici che descrivono la fisica della fusione per confinamento inerziale. Anche in Europa, nonostante le difficoltà legate alla scarsità di finanziamenti comunitari dedicati alla Fusione Inerziale, i numerosi gruppi coinvolti hanno continuato a sviluppare la ricerca dell’energia da fusione laser, attraverso collaborazioni di ampio respiro e accesso ai laboratori laser di media scala ancora esistenti in alcuni paesi Europei. Grande assente nel supporto alla Fusione per Confinamento Inerziale è infatti l’Unione Europea che attualmente finanzia attraverso l’Euratom/Eurofusion solo ridotte attività di collegamento tra i numerosi gruppi europei impegnati in questa ricerca, mentre a livello nazionale le iniziative principali riguardano la Francia e l’Inghilterra, con impianti di grande e media scala come il Laser Megajoule (Francia) e i laser Vulcan e Orion (Gran Bretagna), e la Repubblica Ceca, con il laser PALS.

L’Italia, tra i principali artefici dello sviluppo della Fusione Laser sin dalla sua ideazione, ha partecipato recentemente allo sviluppo del progetto Europeo di Fusione Laser, il progetto HiPER, inizialmente concepito con l’idea di studiare la fusione laser con uno schema detto di “ignizione per shock”, differente da quello attualmente in sperimentazione presso la NIF e in grado di raggiungere guadagni di energia molto più elevati, necessari per il funzionamento di un reattore per la produzione di energia. La ricerca dedicata allo sviluppo di questo schema alternativo ha portato al raggiungimento di importanti risultati relativi al controllo del processo, con il Consiglio nazionale delle ricerche, L’Università degli Studi di Roma “La Sapienza” e l’ENEA, coinvolte in prima fila per le proprie specifiche competenze.

Il Cnr, precursore nello sviluppo dei laser di alta potenza e dell’interazione laser-materia ad alte intensità, con i primi studi sperimentali già a partire dalla fine degli anni ’70, partecipa oggi con l’Istituto Nazionale di Ottica a un progetto di respiro europeo finanziato dal consorzio Eurofusion dedicato allo studio dello schema di Ignizione per Shock. Al progetto contribuisce in particolare con le proprie competenze nello studio delle Instabilità Laser-Plasma, oltre che nello sviluppo delle tecnologie laser per i futuri reattori a fusione laser. Per queste attività, il Cnr-Ino si avvale anche delle competenze maturate presso il Laboratorio di Irraggiamento con Laser Intensi nell’ambito del progetto Extreme Light Infrastructure (ELI) dedicato all’interazione laser-plasma alle altissime intensità e allo sviluppo di sistemi diagnostici per radiazione e particelle. Una migliore conoscenza dei processi attivi nell’interazione laser-plasma è infatti necessaria per la definizione dello schema di Ignizione per Shock per il quale è in fase di ideazione, a livello Europeo, un esperimento dimostrativo “full scale” presso il LMJ o presso la NIF.

Il risultato ottenuto presso la NIF conferma la validità di principio della fusione per confinamento inerziale e consente di guardare con grande ottimismo allo sviluppo della fusione laser per la futura produzione di energia. È tuttavia necessario investire nella sperimentazione attraverso il finanziamento di un programma Europeo dedicato che veda finalmente nascere laboratori nazionali di media scala e un grande laboratorio Europeo per la fusione laser per l’Energia, sulla scia del successo dell’esperimento NIF e della collaborazione europea nata con il Progetto HiPER e tutt’ora in piena attività.

Per approfondimenti:
• https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition
• http://research.ino.it/Groups/ilil/it/fusione/
• http://www.hiper-laser.org/
• G. Cristoforetti et al., High Power Laser Science and Engineering, 7, E51 (2019); https://doi.org/10.1017/hpl.2019.37