Riassunto:
I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno proposto una nuova idea per realizzare la fusione nucleare. I loro ultimi calcoli mostrano che se la sequenza di riscaldamento e compressione del plasma viene modificata, l’energia richiesta per ottenere l’“accensione” nei futuri reattori a fusione potrebbe essere significativamente ridotta, aprendo così una strada più efficiente per lo sviluppo della fusione nucleare controllabile.
La fusione nucleare è considerata una delle tecnologie energetiche pulite più promettenti del futuro. Il suo principio è lo stesso del processo di generazione di energia all'interno del sole. Consentendo ai nuclei degli elementi leggeri di subire reazioni di fusione, è possibile rilasciare enormi quantità di energia quasi senza emissioni di gas serra. Tuttavia, è estremamente difficile replicare l’ambiente estremo all’interno del sole sulla Terra e gli scienziati sono alla ricerca da decenni del modo migliore per ottenere reazioni di fusione stabili.
Dagli anni '50, il campo della ricerca sulla fusione si è basato principalmente sul "criterio di Lawson" per valutare le condizioni di accensione della fusione. Questa teoria viene utilizzata per determinare se un plasma può mantenere una temperatura e una densità sufficientemente elevate per un tempo sufficientemente lungo da continuare la reazione di fusione con la propria energia generata senza la necessità di riscaldamento esterno.
Tuttavia, il criterio di Lawson può solo descrivere quali condizioni devono essere soddisfatte, ma non indica chiaramente come raggiungerle con la massima efficienza. A tal fine, il gruppo di ricerca del PPPL ha aggiunto quattro ulteriori fattori al quadro tradizionale, tra cui le ceneri di elio prodotte durante il processo di fusione, le impurità dalla parete del reattore, la perdita di energia della radiazione di sincrotrone e la perdita di calore dal plasma, stabilendo così un nuovo modello più vicino alla situazione reale.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters. I ricercatori hanno affermato che quando questi fattori realistici vengono inclusi nei calcoli, molte soluzioni progettuali che inizialmente sembravano fattibili cambieranno in modo significativo e quindi avranno un importante valore di riferimento per la futura progettazione dei reattori.
Il plasma è spesso chiamato il quarto stato della materia. Quando un gas viene riscaldato a temperature estremamente elevate, le particelle al suo interno si caricano e si forma un plasma. In un dispositivo per la reazione di fusione, gli scienziati devono riscaldare il plasma a temperature estreme in modo che i nuclei possano superare la repulsione elettrica tra loro e subire una reazione di fusione.
Il gruppo di ricerca ha confrontato il processo per ottenere l'accensione da fusione con l'attraversamento di un terreno bloccato da montagne. Secondo le idee di molte soluzioni esistenti, i ricercatori spesso aumentano prima la densità del plasma e poi continuano ad aumentare la temperatura, il che equivale a scalare direttamente le montagne per raggiungere la destinazione. Ma nuovi modelli suggeriscono che in realtà potrebbe esserci un percorso meno laborioso.
I risultati dei calcoli mostrano che riscaldando il plasma a una temperatura più elevata e quindi aumentandone gradualmente la densità è possibile raggiungere lo stesso obiettivo con un consumo energetico totale inferiore. Questo approccio equivale ad aggirare la montagna ed entrare nella destinazione da un lato, piuttosto che scalare direttamente il percorso più ripido.
I ricercatori hanno utilizzato modelli matematici per trovare il cosiddetto "punto di sella Cordey", il percorso con l'energia più bassa necessaria per ottenere l'accensione della fusione. I risultati mostrano che la strategia di “prima riscaldarsi, poi aumentare la densità” si trova in quest’area ottimale e si prevede che diventi un’importante direzione di progettazione per i futuri dispositivi di fusione.
Oltre a scoprire nuovi percorsi di accensione, il gruppo di ricerca ha ottenuto anche altre importanti conclusioni. I modelli mostrano che anche piccole quantità di impurità di tungsteno che entrano nel plasma possono avere un impatto significativo sulla reazione di fusione o addirittura provocarne il fallimento. Poiché il tungsteno ha una resistenza alle temperature estremamente elevata, attualmente si prevede che venga utilizzato come materiale per le pareti interne di molti futuri reattori a fusione. Pertanto, come impedire al tungsteno di entrare nel plasma diventerà una delle principali sfide tecniche.
I ricercatori hanno inoltre scoperto che esistono alcuni "meccanismi di frenatura" naturali all'interno del plasma di fusione che limitano l'ulteriore potenziamento della reazione. Tali effetti non sono stati pienamente presi in considerazione nei calcoli complessivi in passato, ma il nuovo modello è in grado di riflettere in modo più completo questi fattori d’influenza.
Sebbene questa ricerca sia ancora in fase teorica e computazionale e non raggiunga direttamente una nuova svolta sperimentale sulla fusione, gli scienziati ritengono che fornisca una tabella di marcia più efficiente per la progettazione futura dei reattori. Se le conclusioni rilevanti potessero essere verificate in dispositivi reali, i costi e gli investimenti energetici necessari per commercializzare l'energia da fusione in futuro potrebbero essere significativamente ridotti, accelerando l'obiettivo dell'umanità di un'energia pulita quasi illimitata.
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